NORDTECH

Proiect de diplomă

Cuprins

1. Introducere7

2. Noțiuni teoretice8

2.1. Tehnologia de lipire8

2.2. Arhitectură aparat de lipit12

2.3. Aliaje de lipit15

2.4. Măsurarea temperaturii16

2.4.1. Surse de erori în măsurarea temperaturii17

2.4.2. Termistoare18

2.4.3. Termocuplu21

2.5. Algoritm PID26

3. Implementare0

3.1 Implementare hardware

3.2 Implementare software

4. Rezultate

5. Concluzii0

Bibliografie0

1. INTRODUCERE

Lipirea este un proces în care două sau mai multe elemente ( de obicei din metal) sunt unite prin topirea și punerea unui material de umplutură metal în îmbinare, metalul de umplutură având un punct de topire mai scăzut decât metalul învecinat.  Există dovezi că lipirea a fost folosită încă din urmă cu 5000 de ani în Mesopotamia. Se pare că lipirea a apărut foarte devreme în istoria prelucrării metalelor, probabil înainte de 4000 î.H.  Lipirea a fost folosită în trecut pentru a face bijuterii, obiecte de gătit, unelte si arme.

Lipirea diferă de sudură, deoarece lipirea nu implică topirea pieselor de lucru. În brazare, metalul de umplere se topește la o temperatură mai mare, dar piesa de metal nu se topește. În trecut, aproape toate aliajele de lipit au conținut plumb , însă preocupările legate de mediu și sănătate au determinat din ce în ce mai mult utilizarea aliajelor fără plumb pentru electronică și instalații sanitare.

Lipirea asigură conexiuni rezonabile, dar reversibile, între țevile de cupru din sistemele sanitare , precum și îmbinările în obiecte din tablă, cum ar fi acoperișuri , jgheaburi de ploaie și radiatoare de automobile. Componente electronice, bijuterii , mașini, unelte și unele componente de răcire și instalații sanitare sunt adesea asamblate și reparate prin procesul de lipire.  Dispozitivul electronic de lipit conectează cablurile electrice și componentele electronice la plăcile cu circuite imprimate prin utilizarea unei substanțe din aliaj metalic numită lipire . Acest aliaj special este topit folosind un fier de lipit, o baie de undă sau un cuptor specializat, deoarece acesta leagă conductorii de PCB-uri, terminale și fire.

In acest proces de lipire cu ajutorul stiatiilor de lipit si aliajelor, temperatura este un factor foarte important, care trebuie masurata si reglata in functie de materialele folosite. Temperatura este un parametru fundamental de stare care caracterizează starea termică a unui corp, mai exact, starea de echilibru termodinamic. Măsurarea temperaturii , cunoscută și sub denumirea de termometrie , descrie procesul de măsurare a unei temperaturi locale actuale pentru o evaluare imediată sau ulterioară. Seturile de date constând în măsurători standardizate repetate, pot fi utilizate pentru a evalua tendințele de temperatură.

Condițiile stării de echilibru termodinamic sunt exprimate prin cele două postulate ale termodinamicii: 1) Primul postulat, denumit și principiul general al termodinamicii, se referă la faptul că un sistem izolat ajunge totdeauna, după un interval de timp, în starea de echilibru termodinamic și nu poate ieși, singur, de la sine, din această stare: Conform acestui postulat, dacă un sistem izolat este scos din starea de echilibru termodinamic, el va reveni la condițiile stării de echilibru după un interval de timp, numit timp de relaxare. 2) Al doilea postulat, numit și principiul zero al termodinamicii, precizează proprietățiile sistemului aflat în stare de echilibru termodinamic, prin două formulări echivalente: -orice mărime de stare a unui sistem aflat în condiții de echilibru termodinamic poate fi determinată în funcție de parametrii de stare externi ai sistemului și de o mărime ce caracterizează starea interioară a sistemului, numită temperatură

-două sisteme termodinamice aflate în echilibru termic cu un al treilea sistem, se găsesc în echilibru între ele

2. NOȚIUNI TEORETICE

2.1 Tehnologia de lipire

În electronică, o mare diversitate de elemente se asamblează prin lipire:

-conductoare filare (între ele, pe terminale / pini, pe conductoare imprimate, pe saşie, carcase etc.),

-componente electronice montate „în găuri” pe cablaje imprimate, componente montate pe suprafaţă, piese metalice de variate forme şi dimensiuni (distanţiere, elemente de fixare/rigidizare, table etc.).

Prin lipire se înţelege procesul tehnologic de îmbinare rigidă a două piese metalice cu ajutorul unui alt metal sau aliaj în stare topită, care după solidificare aderă prin difuziune cu materialul de bază al fiecărei piese. Procedeul de lipire se alege/adoptă în funcţie de „ce se lipeşte, unde şi când se lipeşte” - componente electronice - la asamblare sau la depanare, cu montarea în găuri sau pe suprafaţa cablajelor imprimate etc.; conductoare filare masive sau multifilare - la formarea capetelor sau la îmbinare etc.

În cea mai generală clasificare, procedeele de lipire pot fi:

• manuale, utilizate destul de frecvent la asamblare şi întotdeauna la depanare;

• automate, utilizate numai la asamblare şi de regulă la lipirea pe cablaje imprimate. După modul în care se face aportul de aliaj de lipit, lipirea se poate face:

• cu ciocanul de lipit (întotdeauna manuală);

• prin imersie în băi de lipire statice;

• în val (întotdeauna în instalaţii mai mult sau mai puţin automate);

• prin retopire (reflow), procedeu care presupune depunerea aliajului pe suprafeţele de lipit înainte de încălzirea pentru lipire; în funcţie de modalitatea de depunere a aliajului (preforme sau paste de lipit) şi de procedeul de încălzire (prin contact, cu radiaţii infraroşii, cu aer cald, în fază de vapori, cu laser etc.), există o mare varietate de tehnici tip „reflow” în cele ce urmează se vor expune procedeele de lipire utilizate la asamblarea circuitelor electronice, în special pe cablaje imprimate; unde va fi cazul se vor face referiri şi la asamblarea altor elemente.

Pentru obţinerea unor îmbinări de calitate este necesar ca aliajele de lipit să îndeplinească anumite condiţii:

• să aibă temperaturi de topire inferioare faţă de temperatura de topire a materialului de bază;

• să posede fluiditate bună pentru umplerea completă a cusăturii;

• să aibă caracteristici optime de tensiune superficială pentru a asigura o bună întindere şi aderenţă pe suprafeţele de lipit;

• coeficientul de dilatare liniară să fie aproximativ egal cu cel al materialelor de bază, pentru a nu se produce fisuri şi crăpături la solidificare şi răcire până la temperatura obişnuită;

• să asigure rezistenţa mecanică şi rigiditatea lipiturii;

• la lipirea conductorilor electrici este necesară o bună conductivitate electrică;

• aliajele de lipit trebuie să posede o bună rezistenţă la coroziune mai ales pentru aliajele destinate industriei chimice.

Lipirea manuală cu ciocanul, în cazul utilizării aliajelor tubulare, presupune în general parcurgerea următoarelor etape:

• se pune capătul de lipire al vârfului ciocanului (încălzit la temperatura de lipire) în locul lipirii, în contact cât mai bun cu piesele care se lipesc, astfel încât contactul cu piesa mai mare să se facă pe o suprafaţă mai mare. Capătul de lipire trebuie să fie acoperit cu o mică cantitate de aliaj topit, pentru contact termic bun, eventual se preia pe vârf o mică cantitate de aliaj.

• se aşteaptă ca piesele să se încălzească, apoi se aduce aliajul tubular în contact cu piesa de lipit mai mare, evitând contactul cu vârful ciocanului, astfel se asigură topirea fluxului şi curăţarea suprafeţelor înaintea topirii şi întinderii aliajului.

• după topirea unei cantităţi potrivite de aliaj, se menţine contactul, eventual se deplasează vârful în contact cu piesele până la întinderea aliajului, acoperirea suprafeţelor şi umplerea interstiţiilor.

• imediat după acoperire se îndepărtează ciocanul, rapid dar nu brusc şi se aşteaptă răcirea şi solidificarea aliajului. In acest timp piesele trebuie să fie imobile.

Fig.2.11. Lipirea cu ciocanul, cu aliaj tubular: a – încălzire; b – aport aliaj şi flux (poziţia 1 sau 2); c – topire şi întindere flux şi apoi aliaj; d – îndepărtare vârf şi răcire

Dacă nu se foloseşte aliaj tubular, operaţiile încep cu preluarea unei picături de aliaj pe vârful ciocanului apoi a unei picături de flux topit, celelalte etape se execută conform indicaţiilor de mai sus. Durata încălzirii trebuie să fie suficientă pentru buna întindere a aliajului dar nu prea lungă, pentru evitarea supraîncălzirii pieselor şi oxidarea intensă a aliajului şi suprafeţelor. O lipitură bună este atunci când aliajul are suprafaţă netedă, fără impurităţi, cu unghiuri de lipire mici (sub 15 – 30ºC). Fluxul neconsumat este în cantitate mică şi formează pelicule netede, regulate, cu aspect caracteristic.

Dintre defectele care apar la lipirea cu ciocanul, cele mai frecvente sunt:

• lipiturile „reci” – suprafeţele sunt acoperite cu aliaj de lipit dar nu s-a realizat contact intim între materiale de bază şi aliaj. Cauzele sunt suprafeţele insuficient încălzite şi/sau curăţate. In aceste cazuri unghiurile de lipire sunt peste 70 – 90º.

• lipituri „arse” – suprafeţele sunt acoperite cu aliaj, dar între aliaj şi suprafeţe există straturi de oxizi. Cauza constă în supraîncălzire (temperatură prea mare sau durată prea mare a încălzirii). In aceste cazuri suprafaţa aliajului nu este netedă, în jurul lipiturii şi în aliaj se observă impurităţi cu aspect clar diferit de al fluxului nears.

• lipituri „crăpate” - în timpul solidificării aliajului, piesele au fost deplasate şi aliajul are crăpături.

• lipituri cu lipsă de aliaj - lipirea este realizată, dar cantitatea de aliaj este prea mică şi în consecinţă rezistenţa mecanică este redusă.

• lipituri cu exces de aliaj - lipirea este realizată, dar aliajul este în exces şi terminalele nu se pot tăia la lungimea necesară, lipiturile se „rup” uşor, si se produc scurtcircuite.

• lipituri cu scurtcircuit, datorate contactului nedorit al vârfului cu suprafeţe conductoare apropiate sau, în cazul excesului de aliaj, formării unor „stalactite” sau „fire” (adesea aproape invizibile) din aliaj la îndepărtarea ciocanului.

S-a constatat că lipiturile reci şi arse sunt cele mai frecvente defecte la lipirea cu ciocanul şi se datorează în primul rând insuficientei curăţări a suprafeţelor de către flux (fie nu se observă lipsa de efect a fluxului, fie observând aceasta insistă, supraîncălzind zona). De aceea este cât se poate de recomandabil să se procedeze la fluxarea prealabilă a suprafeţelor (mai ales a conductoarelor imprimate care se obţin curate după corodare şi decontaminare), fie la precositorire, cu sau fără fluxare prealabilă. În prezent, cam toate piesele electronice au terminalele acoperite cu metale de protecţie, greu oxidabile sau cu oxizi solubili în flux, de asemenea multe cabluri de conexiune sunt precositorite. Prin aceasta, operaţiile de lipire sunt foarte mult uşurate. În cazul terminalelor şi cablurilor fără acoperiri protectoare sau puternic oxidate, se recomandă curăţarea şi precositorirea, folosind ciocane sau mici băi de precositorire.

Adesea, la lipirea cu ciocanul este necesară utilizarea şunturilor termice. Asemenea situaţii apar la lipirea şi dezlipirea pieselor sensibile la căldură, la precositorirea pieselor şi capetelor de cabluri (cu izolaţie din PVC, termoplastă). Şuntul termic este o piesă cu capacitate calorică mare (pensetă, cleşte tip patent, ...) pusă în contact termic bun cu terminalul, între punctul de lipire şi corpul piesei sau izolaţie în scopul de a prelua căldura şi a nu permite supraîncălzirea.

Dezlipirea pieselor din montajele electronice este o activitate în care ciocanul de lipit este de neînlocuit. Există numeroase procedee de dezlipire, pentru care se folosesc ciocane obişnuite sau speciale, scule şi dispozitive ajutătoare. Dezlipirea pieselor şi extragerea terminalelor din găurile cablajelor se poate face: fără îndepărtarea aliajului (topirea şi extragerea simultană a terminalelor) si cu îndepărtarea aliajului înaintea extragerii terminalelor.

Dezlipirea pieselor fără îndepărtarea aliajului se poate face fără mari dificultăţi, cu ciocanul de lipit obişnuit, în cazul firelor şi pieselor ale căror terminale se pot extrage uşor din găuri. In aceste cazuri, se încălzeşte zona lipită cu vârful ciocanului şi se extrage sau se îndepărtează terminalul cu penseta sau cleştele. Probleme apar la dezlipirea circuitelor integrate, a conectorilor, cablurilor multifilare plate, etc., piese ale căror terminale nu se pot extrage din găuri sau deplasa individual. O primă soluţie, constă în tăierea terminalelor lângă corpul piesei şi extragerea lor una după alta. O soluţie mai bună constă în folosirea unor ciocane la care se montează vârfuri speciale pentru dezlipit, , realizate în ideea de a încălzi simultan toate terminalele piesei. Asemenea vârfuri se produc în două variante: cu „baie de aliaj topit” sau „cu piese de contact” încălzite.

Fig.2.12. Vârfuri pentru dezlipit circuite integrate: cu baie de aliaj (a) şi prin contact pe terminale (b)

Dezlipirea pieselor cu îndepărtarea prealabilă a aliajului este un procedeu mai lent, dar adaptabil pentru orice componentă, mai sigur, prin care piesa este mai puţin solicitată termic. Indepărtarea aliajului topit se poate face prin două procedee: cu pompe de aliaj sau prin capilaritate.

Pompele de aliaj sunt „aspiratoare” de aliaj topit şi pot fi:

• pompe incluse într-un ciocan de lipit, cu vârful tubular din cupru, încălzit. Aspiraţia se face cu o pară din cauciuc. In unele cazuri, în loc de a se aspira aliajul topit, pompa serveşte la “suflarea” topiturii.

• pompe independente cu vârful tubular din teflon sau alt material termorezistent la care aliajul nu aderă. Aspiraţia aliajului se face cu ajutorul unui piston acţionat de un arc, la destindere.

Pentru îndepărtarea aliajului prin capilaritate, se foloseşte tresă -împletitură deasă din sârme de cupru subţiri. Tresa bine acoperită cu colofoniu, se presează cu vârful ciocanului pe aliaj. Când se topeşte, aliajul este „aspirat” prin capilaritate în micile canale ale tresei. In urmă rămâne doar o peliculă foarte subţire. Tresa poate fi curăţată prin încălzire şi scuturare.

Fig.2.13. Dispozitive şi scule pentru înlăturarea aliajului de lipit: a – tresă; b, c – pompe de absorbţie

Cu toate eforturile producătorilor de a produce variate şi ingenioase scule pentru uşurarea extragerii pieselor din montaje, problema rămâne dificilă, necesitând multă îndemânare din partea lucrătorilor; din acest punct de vedere, utilizarea tresei este cea mai simplă.

2.2 Arhitectură aparat de lipit

Ciocanul de lipit, ca sursă de căldură pentru încălzirea suprafeţelor care trebuie lipite, este cea. mai veche unealtă pentru lipiri moi, evoluând de la un simplu paralelipiped din cupru cu tijă şi mâner - încălzit la flacără, la construcţiile sofisticate din prezent - cu termostatare şi temperatură reglabilă, cu vârfuri interschimbabile, cu alimentare prin transformator. Lipirea cu ciocanul este un procedeu încă foarte utilizat şi adesea de neînlocuit (la depanare, de exemplu), în primul rând datorită adaptabilităţii practic la orice situaţie. De aceea, pentru perfecţionarea acestei unelte se depun susţinute eforturi, de către numeroşi producători. Dezavantajul major al lipirii cu ciocanul este legat de factorul uman, de care depind calitatea şi uniformitatea lipiturilor.

Ciocanele de lipit pot fi:

• cu funcţionare discontinuă (tip „pistol”), recomandate pentru lucru cu pauze;

• cu funcţionare continuă (cu rezistenţă de încălzire).

Ciocanele de lipit cu funcţionarea discontinuă (tip „pistol”) au transformatorul incorporat, alimentat printr-un contact acţionat de pârghia „trăgaci” numai pe durata efectuării lipirii. Secundarul transformatorului cu 3 - 5 spire, este din bară de cupru cu secţiune mare (20 – 30mm2), pe capetele barei se prinde cu şuruburi vârful (un segment din sârmă de cupru 1,5 ... 3mm diametru) îndoit potrivit. Temperatura se reglează închizând/deschizând contactul, în timpul lipirii. Se construiesc astfel de ciocane cu puteri de 60 - 150W, cu cât puterea este mai mare, se poate folosi un varf cu diametru mai mare iar timpul de atingere a temperaturii de lipire este mai mic (6 ... 20 secunde). Ciocanele tip „pistol” sunt grele, voluminoase şi nu sunt potrivite pentru lucru în flux continuu.

Fig.2.14. Ciocan de lipit tip pistol, cu transformator

Ciocanele de lipit cu rezistenţă au inclusă o rezistenţă de încălzire alimentată direct de la reţea sau prin transformator. Ciocanele cu rezistenţa izolată în ceramică sau folii de mica, alimentată direct de la reţea (220V/50Hz) nu sunt recomandabile pentru lucru în electronică deoarece rezistenţa izolaţiei nu este prea mare, mai ales la temperatură mare, ca urmare carcasa şi vârful ciocanului chiar legate la pamantare pot avea tensiuni periculoase pentru multe componente electronice. De regulă, aceste ciocane nu au termoreglare, temperatura se menţine aproximativ constantă la egalitatea căldurii generate de rezistenţă şi a căldurii disipate în mediu, care depinde de mărimea suprafeţei de răcire. Ciocanele alimentate prin transformator coborâtor sau numai de izolare, sunt preferabile şi de altfel cele mai folosite în industria electronică. Ansamblul ciocan de lipit, transformator, eventuale subansamble de reglare şi conductoarele aferente se numeşte staţie de lipire. De regulă, aceste ciocane sunt prevăzute cu termoregulatoare: cu magnet permanent sau cu senzor de temperatură şi circuite de reglaj.

Ciocanele de lipit termoreglate cu magnet permanent au solitar cu vârful o pastilă, un mic magnet permanent cu punct Curie la temperatura de lipire (tCurie = tl). Cât timp t < tl, magnetul atrage o tijă din fier moale şi se închide contactul de alimentare a rezistenţei. La t ≥ tl = tCurie pastila îşi pierde însuşirile magnetice şi un arc slab deschide contactul iar la scăderea temperaturii contactul se reînchide. Astfel, temperatura vârfului oscilează cu 1 – 5ºC în jurul valorii de lipire. Pentru schimbarea temperaturii de lipire trebuie schimbat vârful cu magnet. Acest tip de ciocan este foarte folosit, fiind ieftin, robust şi satisfăcător în multe utilizări. Există o mare varietate de construcţii, cu puteri de la 20-25W la peste 100W şi de vârfuri cu pastile pentru temperaturi de la 200ºC la peste 350ºC (cam din 10 în 10ºC).

Fig.2.15. Ciocan de lipit termostatat cu pastilă din ferită cu punct Curie la temperatura de lipire

Fig.2.16. Ciocan de lipit cu rezistență

Ciocanele de lipit termoreglate cu senzor (termistor, termorezistenţă, termocuplu) montat în vârf, asigură atât un histerezis mai mic (sub 1ºC) cât şi posibilitatea reglării temperaturii (circuitele de reglaj sunt în aceeaşi carcasă cu transformatorul) în plaje largi, în schimb sunt sensibil mai scumpe şi mai pretenţioase (cordonul ciocanului are 4 – 6 fire).

Componenta principală a ciocanului de lipit este vârful. Există o mare diversitate a formelor şi dimensiunilor vârfurilor, în acord cu puterile ciocanelor, dimensiunile pieselor şi ale suprafeţelor de lipire etc. Vârfurile se realizează din bare rotunde din cupru (are cea mai mare conductibilitate termică), uneori aliat cu 0,5 % telur pentru uzinare mai uşoară.

Fig.2.17. Vârfuri pentru ciocane de lipit: a – forme, b – vârfuri cu “cu viaţă lungă

Deosebit de importantă este zona de lucru extremitatea care în timpul lipirii este în contact cu piesele şi cu aliajul. Pentru lucru este obligatoriu ca zona de lucru să fie acoperită cu o peliculă de aliaj (cositorită), altfel nu se poate asigura contact termic bun deoarece cuprul se oxidează imediat şi nu se poate realiza lipirea. Deoarece aliajul se oxidează această zonă trebuie frecvent curăţată, acoperită cu flux (colofoniu) şi re-cositorită. Ciocanele ieftine au vârful numai din cupru, ca urmare zona de lucru se uzează prin dizolvarea cuprului în aliaj (Cu este foarte solubil în aliaj SnPb lichid) şi prin oxidare. Dupa un timp de folosire, este necesară reformarea zonei de lucru prin pilire şi cositorire.

Prin anii 70, firma Weller a introdus vârfurile cu durată de viaţă lungă (long life tips). Aceste vârfuri sunt acoperite cel puţin pe porţiunea activă, cu o peliculă micronică din fier pur pe care aliajul aderă foarte bine. Această peliculă este o barieră care împiedecă dizolvarea cuprului în aliaj. In prezent, vârfurile „long life” de calitate au mai multe straturi. Stratul de crom din zona inactivă împiedecă oxidarea şi aderenţa aliajului în acea regiune. Un astfel de vârf este scump şi trebuie tratat cu atenţie, curăţarea se execută numai cu buretele furnizat de firmă, vârful nu se „freacă” pe cablaje, fire, pentru a nu se înlătura straturile de protecţie.

Capătul de lipire poate fi: conic (pentru lipiri fine, piese mici), tronconic sau piramidal (pentru lipirea pieselor ceva mai mari), în formă de cilindru tăiat oblic sau aplatizat în „cap de daltă” (pentru lipirea pieselor mari, conductoarelor filare groase etc.). Vârful ciocanului asigură transferul căldurii către piese în zona de lipire şi aceasta trebuie să se întâmple la temperatură cât mai constantă. Masa, dimensiunile vârfului şi în consecinţă puterea ciocanului, trebuie să fie în acord cu dimensiunile pieselor care se lipesc. Cu cât aceste piese sunt mai mari, cu atât dimensiunile vârfului şi puterea ciocanului trebuie să fie mai mari. Ciocanele termostatate pot fi cu puteri mai mari, pentru încălzire rapidă, pentru că oricum, puterea medie este în funcţie de temperatura reglată.

2.3 Aliaje de lipit

Aliajele de lipit se clasifica în două mari categorii:

Aliaje de lipit greu fuzibile pentru lipitură tare

Aliaje de lipit uşor fuzibile pentru lipituri moi

Aliaje de lipit greu fuzibile pentru lipitură tare

Sunt cunoscute sub denumirea de alame de lipit. Ele conţin procente mari de Zn pentru a le coborî temperatura de topire şi a asigura o bună fluiditate. La lipire se arde inevitabil Zn, care se volatilizează la 906ºC. Arderea Zn este însoţită de degajarea vaporilor de oxid de Zn şi de zgurificarea aliajului la suprafaţă, ceea ce provoacă ridicarea temperaturii de lipire. Pentru a atenua aceste dezavantaje, în compoziţia alamelor de lipit se introduc mici adaosuri de Si şi Sn. Ele se toarnă în lingouri rotunde, destinate presării sau laminării sub formă de sârme sau vergele. Această alamă are calităţi foarte bune pentru oţeluri şi fonte asigurând o lipire rigidă. Temperatura de topire este 890÷900ºC.

Aliaje de lipit cu bază de argint se pot folosi pentru lipirea tuturor metalelor şi aliajelor feroase şi neferoase, deoarece umectează în bune condiţii suprafeţele metalice, umplu perfect interstiţiile cusăturilor, rezistă bine la coroziune, iar îmbinările obţinute sunt rezistente la încovoiere, vibraţii şi şocuri.

Aliaje de lipit uşor fuzibile pentru lipituri moi

Sunt aliaje de plumb cu staniu, cu temperaturi de topire sub 300ºC; se utilizează pentru lipituri moi care nu cer mare rezistenţă, ci numai o lipire etanşă. Aliajele de lipit cu conţinut mare de Sn, peste 90% Sn au cea mai bună rezistenţă la coroziune şi se folosesc mai ales în industria alimentară (lipirea cutiilor de conserve) sau în instalaţiile sanitare. Mult întrebuinţate pentru lipire sunt aliajele cu 50-60% Sn, care posedă fluiditatea cea mai bună, având compoziţia eutectică. Aliajul se utilizează pentru lipituri fine în electrotehnică şi radiotehnică. Pentru a se reduce preţul de cost se folosesc aliaje de lipit cu conţinut de Sn mai mic (30÷50%), mărindu-se proporţia de Pb. În vederea durificării se introduce uneori adaosuri de 1÷2% Sb.

Fig.2.18. Rola aliaj de lipit (cositor) Fig.2.19. Aliaj de lipit

2.4 Măsurarea temperaturii

Temperatura este parametrul cel mai frecvent măsurat, dar în multe privințe, este cel mai puțin înțeles. Temperatura este un parametru surprinzător de dificil de măsurat cu precizie, față de cât s-ar putea aștepta, în mod rezonabil. Pentru a obține o precizie mai bună de 0,2°C, este nevoie de multă atenție la sursele de erori. Erorile apar din cauza repartiției de gradienți de temperatură, de distribuția spațială a componentelor în proiect, neliniaritatea senzorului, de contact termic slab între senzor și dispozitivul măsurat, de abaterea de la calibrarea inițială, de energie radiantă și de autoîncălzirea senzorului. În general, corectitudinea măsurării pentru orice tip de senzor poate fi mult îmbunătățită prin calibrare individuală. Dificultatea măsurarii temperaturii depinde de gama de temperatură, materialul măsurat și cerințele de precizie. Tabelul de mai jos rezumă dificultatea de măsurare a temperaturii într-un interval de temperaturi:

Fig.2.21. Dificultatea de măsurare a temperaturii

Într-un laborator cu standarde și echipamente adecvate, este posibil să se măsoare temperatura cu precizia de 0,001°C (1°mC). Acest lucru se face de obicei prin interpolare (estimarea valorilor) între două standarde, folosind un senzor de temperatură de calitate, din Platină (Pt) și/sau un termocuplu de tip S. Când utilizăm senzori de temperatură, este util să ne gândim la circulația fluxurilor de căldură. Acest lucru este valabil atât pentru senzorii protejați cât și pentru cei neprotejați într-o teacă. Înțelegerea rezistențelor termice și felul în care acestea sunt situate, este utilă mai ales în identificarea surselor potențiale de erori. Temperaturile componentelor pe un modul electronic au valori foarte diferite. Trebuie identificate piesele cu temperatură ridicată și asigurată continuu răcirea adecvată pentru a funcționa normal și la temperatura maximă din mediul de lucru. 

2.4.1 Surse de erori în măsurarea temperaturii

• Calibrarea senzorului

Erori de calibrare a senzorilor pot fi cauzate de offset, de scalare și liniaritate. În plus, fiecare dintre aceste erori poate avea derivă de timp și la cicluri de temperatură. Uneori poate fi și un efect de histerezis (în cazul în care o valoare depinde de direcția din care a fost abordat) la unii senzori, dar efectul este de obicei mic, cu excepția benzii bimetalice, unde poate fi de mai multe grade. Rezistențele RTD Platinum sunt considerate cele mai exacte și stabile dintre toți senzorii standard. Termocupluri calibrate individual pot măsura în același domeniu de temperatură ca RTD, dar și pe un interval de temperatură mai ridicată. Interschimbabilitatea senzorului este de multe ori factorul decisiv în alegerea tipului de senzor. Aceasta se referă la eroarea maximă de citire a temperaturii care poate apărea la înlocuirea unui senzor cu altul de același tip, fără recalibrarea sistemului.

• Gradienți termici în material

Gradienții termici sunt adesea o sursă majoră de eroare în măsurare. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se măsoară materiale cu o conductivitate termică slabă, repartizarea căldurii nefiind omogenă. Gradienții pot fi minimizați prin izolarea sistemului de măsurat, pentru a preveni transferul de căldură în sau din sistem. Folosirea mai multor senzori pentru o diversitate spațială și o medie a valorilor măsurate este o altă soluție.

• Conducția de căldură în firele de conectare a senzorului

Toți senzorii, cu excepția non-contact și cei conectați cu fibră optică, necesită ca firele conductoare, ce sunt, de obicei, din cupru (care este un excelent conductor de căldură), să fie aduse la senzor. Plasarea acestor fire poate avea un impact semnificativ asupra preciziei. Firele permit fluxul de căldură în sau în afara corpului senzorului. La măsurarea temperaturii materialelor de izolare termică, acest lucru poate fi o sursă majoră de eroare. Există trei soluții, care sunt bune în practica standard:• Utilizarea de fire la fel de subțiri ca terminalele senzorului. • Poziționarea firelor în sau pe materialul de măsurat, astfel încât să ajute efectiv în transferarea temperaturii de la material la senzor.• Minimizarea gradientul termic de-a lungul firelor legate la senzor prin plasarea firelor de legătură la un unghi drept pe materialul măsurat. Acest lucru asigură o rezistență termică mai mare, din cauza lungimii mai mari a firelor conductoare.

• Constanta de timp

Atunci când temperatura se schimbă, este nevoie de timp pentru ca un senzor să o sesizeze. Unii senzori răspund rapid, unii în mai puțin de o secundă, în timp ce alții în minute sau chiar ore.Timpul necesar pentru a atinge 63% din nivelul spre noua temperatură este numit “constanta de timp termică”. Majoritatea senzorilor au o constantă timp dominantă pentru un anumit tip de senzor. Evident, dacă temperatura se schimbă mai repede decât un senzor este capabil de a o urmări, măsurarea va fi eronată. Cele mai bune soluții pentru a prevenii aceste erori sunt : utilizarea unui senzor care răspunde mai rapid, îmbunătățirea contactului termic, folosind paste conductive termal pentru a elimina aerul, reducerea masei termice a senzorului, prin reducerea la un minimum de material în contact cu elementul detector și care nu este asociat cu îmbunătățirea de contact termic. Uneori, constante de timp lung sunt utile în obținerea unui efect de mediere pentru o temperatură fluctuantă rapid. Dacă acest efect este aplicat, trebuie să fie luată în considerare compensarea de fază (timp) în întârzierea răspunsului.

• Auto-încălzirea senzorului

Termistoarele, termorezistențele RTD și senzorii cu semiconductoare necesită o putere de excitație, pentru fi utilizate. Această putere poate încălzi senzorul, provocând o citire eronată, cu o valoare mai mare. Efectul depinde de dimensiunea elementului de detectare și de nivelul de putere.

De obicei, amploarea efectului de auto-încălzire este între 0,1°C și 1,5°C. Diagrama de mai jos reprezinta fluxul de energie termică între un senzor și un corp cald. Indica o parte din complexitate în măsurarea temperaturii. Se remarcă prezența gradienților termici în materialul care este măsurat. Aceste distribuții pot fi deosebit de supărătoare, atunci când se face măsurarea pe materiale cu o conductivitate termică slabă, cum ar fi materialele plastice și chiar oțel.

Fig.2.22. Fluxul de energie termică între un senzor și un corp cald

2.4.2 Termistoare

Termistoarele sunt senzori de temperatură din materiale semiconductoare ce pot avea schimbări mari în rezistență, proporționale cu mici modificări de temperatură. Termistoarele sunt o categorie extrem de precisă de senzori de temperatură. NTC arată că rezistența acestui tip de termistor va scădea odată cu creșterea temperaturii. Modul în care rezistența unui termistor scade este legat de o constantă cunoscută și dată în specificațiile tehnice, numită beta (β) sau B, măsurată în °K. Temperatura maximă de operare e cea la care termistorul va opera cu o stabilitate acceptabilă, pentru o perioadă de timp extinsă. Termistoarele sunt utilizate pe scară largă ca limitatoare de curent la pornire, senzori de temperatură, protecție la supracurent cu auto-resetarea și elementele de încălzire cu autoreglare. Termistoarele diferă de senzorii de temperatură de tip rezistență (RTD), fiindcă materialul utilizat într-un termistor este în general ceramic sau un polimer, în timp ce în RTD se folosesc metale pure. Răspunsul la temperatură este de asemenea diferit. RTD sunt utile în intervale de temperatură mai mari, în timp ce termistoarele realizează în mod tipic o precizie mai mare într-un interval limitat de temperaturi, de obicei -90°C la 130°C. 

• Termistoarele NTC (coeficient de temperatură negativă)

Multe termistoare NTC sunt fabricate dintr-un disc presat, o tijă, o placă, un burete sau o cipă turnată din materiale semiconductoare , cum ar fi oxizi de metale sinterizate . Ele funcționează deoarece creșterea temperaturii unui semiconductor mărește numărul de încărcătoare active- le promovează în banda de conducție. 

În anumite materiale precum oxidul de fier (Fe 2 O 3 ) cu dopaj de titan (Ti) se formează un semiconductor de tip n și suporții de încărcare sunt electroni. În materialele cum ar fi oxidul de nichel (NiO) cu doparea de litiu (Li) se formează un semiconductor de tip p unde găurile sunt suporturile de încărcare.

Aceste termistoare sunt folosite la măsurători de temperatură joasă, de ordinul a zeci de grade Celsius, de asemenea pot fi folosite la limitarea curentului de pornire (inrush-current) la conectarea circuitelor de alimentare. Ele prezintă o rezistență mai mare la început, limitând curenții mari, iar apoi se încălzesc și apoi au o rezistență mult mai mică și permit curentul la nivel nominal, de funcționare normală. Aceste termistoare au de obicei un gabarit mult mai mare decât termistoarele de măsurare și sunt special proiectate pentru această aplicație. De asemenea sunt utilizate în aplicații auto, spre exemplu, ele monitorizează temperatura lichidului de răcire și/sau temperatura uleiului în interiorul motorului și furnizează date unității electronice de control (ECU) și, în mod indirect, la tabloul de bord. Se utilizeaza frecvent si în termostate digitale și pentru a monitoriza temperatura pe baterii în timpul încărcării. Termistoarele sunt plasate în diverse puncte specifice de detectare chiar în interiorul unor componente electronice pentru a obține o mai mare precizie. Avantajele termistoarele NTC: Au sensibilitate ridicată, cost redus, gamă largă de temperaturi și sunt ușor de interfațat cu un modul de măsurare, chiar la o locație la distanță, iar ca dezavantaje: Ieșire neliniară, deci necesită componente suplimentare sau corecție software pentru liniarizare

Fig 2.23. Termistoare NTC

• Termistoare PTC (coeficient de temperatură pozitiv)

Cele mai multe termistoare PTC sunt fabricate din ceramică policristalină dopată (conținând titanat de bariu (BaTiO 3 ) și alți compuși) care au proprietatea că rezistența lor crește brusc la o anumită temperatură critică. Titanatul de bariu este feroelectric,  iar constanta sa  dielectrică variază în funcție de temperatură. Sub temperatura punctului Curie , constanta dielectrică  ridicată previne formarea de bariere potențiale între granulele de cristal, conducând la o rezistență scăzută. În această regiune, dispozitivul are un mic coeficient de temperatură negativ. 

La temperatura punctului Curie, constanta dielectrică scade suficient pentru a permite formarea de bariere potențiale la limitele granulelor, iar rezistența crește brusc cu temperatura.  La temperaturi chiar mai mari, materialul revine la comportamentul NTC. Un alt tip de termistor este un silistor , un rezistor termic sensibil la siliciu. Silistorii folosesc siliciul ca material component semiconductor. Spre deosebire de termistorii PTC ceramici, silistorii au o caracteristică aproape liniară de rezistență-temperatură.

Dinamica termistoarelor PTC alimentate este, de asemenea, extrem de utilă. Când este conectat prima dată la o sursă de tesiune, un curent mare, corespunzător rezistenței joase și reci, curge, dar pe măsură ce termistorul se încălzește automat, curentul este redus până când se atinge un curent limitator (și temperatura maximă a dispozitivului corespunzător). Efectul de limitare a curentului poate înlocui siguranțele. Ele sunt, de asemenea, utilizate în demagnetizarea circuitelor, mai multor monitoare CRT și televizoare în care bobina de demagnetizare trebuie conectată în serie numai cu un termistor ales în mod corespunzător. Un avantaj special este faptul că scăderea curentă este netedă, producând un efect optim de dezagregare. Circuitele îmbunătățite de demagnetizare au elementele auxiliare de încălzire pentru încălzirea suplimentară a termistorului (și reducerea curentului final) sau a releelor temporizate pentru a deconecta circuitul de demagnetizare complet.

Un alt tip de termistor PTC este polimerul PTC, care este vândut sub nume de marcă precum " Polyswitch " "Semifuse" și "Multifuse". Acesta este format din plastic cu boabe de carbon înglobate în el. Când plasticul este răcit, boabele de carbon sunt toate în contact unul cu celălalt, formând o cale conductivă prin dispozitiv. Atunci când materialul se încălzește, se extinde, forțând boabele de carbon și provocând creșterea rezistenței dispozitivului, ceea ce determină creșterea încălzirii și creșterea rapidă a rezistenței. Acest dispozitiv are un răspuns extrem de neliniar de rezistență / temperatură util pentru controlul termic sau de circuit, nu pentru măsurarea temperaturii. Pe lângă elementele de circuit utilizate pentru limitarea curentului, încălzitoarele cu auto-limitare pot fi realizate sub formă de fire sau benzi, utile pentru urmărirea căldurii . Termoconductoarele PTC se blochează într-o stare fierbinte / rezistență ridicată: o dată fierbinte, ele rămân în această stare de rezistență ridicată, până când se răcește. 

Fig 2.24. Termistor PTC Fig 2.25. Grafic comparație PTC NTC

•Istoric

Primul termistor NTC a fost descoperit în 1833 de Michael Faraday , care a remarcat comportamentul semiconductor al sulfurii de argint . Faraday a observat că rezistența sulfurii de argint a scăzut dramatic, pe măsură ce temperatura a crescut. Un termistor comercial viabil a fost inventat de Samuel Ruben în 1930.

2.4.3 Termocuplu

Un termocuplu este un dispozitiv electric compus din doi conductori diferiți care formează joncțiuni electrice la diferite temperaturi . Un termocuplu produce o tensiune dependentă de temperatură ca rezultat al efectului termoelectric și această tensiune poate fi interpretată pentru a măsura temperatura. Termocuplurile sunt un tip de senzor de temperatură utilizat pe scară largă .

Termocuplurile comerciale sunt ieftine,  interschimbabile, sunt livrate cu conectori standard și pot măsura o gamă largă de temperaturi. Spre deosebire de majoritatea celorlalte metode de măsurare a temperaturii, termocuplurile sunt auto-alimentate și nu necesită nici o formă externă de excitație. Principala limitare a termocuplei este precizia, erorile de sistem de mai puțin de un grad Celsius (° C) pot fi dificil de realizat.

Termocuplurile sunt utilizate pe scară largă în știință și industrie. Aplicațiile includ măsurarea temperaturii pentru cuptoare , eșapament pentru turbine cu gaz , motoare diesel și alte procese industriale. Termocuplele sunt de asemenea utilizate în case, birouri și întreprinderi ca senzori de temperatură în termostate și, de asemenea, ca senzori de flacără în dispozitivele de siguranță pentru aparatele cu gaz.

În 1821, fizicianul german Thomas Johann Seebeck a descoperit că atunci când diferite metale sunt legate la capete și există o diferență de temperatură între îmbinări, se observă un câmp magnetic. La vremea respectivă, Seebeck a menționat această consecință ca termo-magnetism. Câmpul magnetic pe care la observat sa dovedit mai târziu ca fiind datorat curentului termoelectric. În practică, tensiunea generată la o singură joncțiune a două tipuri diferite de fire este ceea ce este interesant deoarece aceasta poate fi utilizată pentru măsurarea temperaturii la temperaturi foarte mari și scăzute. Mărimea tensiunii depinde de tipul de fir utilizat. În general, tensiunea este în domeniul microvolt și trebuie luată precauție pentru obținerea unei măsurări utilizabile. Deși fluxurile de curent foarte mici, puterea poate fi generată de o singură joncțiune termocuplă. Generarea de energie prin utilizarea mai multor termocupluri, ca într-un termopil, este comun.

Configurația standard pentru utilizarea termocuplurilor este prezentată în figura de mai jos. Pe scurt, temperatura dorită T sens se obține folosind trei intrări-funcția caracteristică E ( T ) a termocuplului, tensiunea măsurată V și temperatura de joncțiunile de referință T centra . Soluția ecuației E ( T sens ) = V + E ( T ref ) randamentele T sens . Aceste detalii sunt adesea ascunse de utilizator, de la blocul de joncțiune de referință (cu T ref termometru), voltmetru și ecuator sunt combinate într-un singur produs.

Fig. 2.26. Termocuplu tip K (cromel-alumel)

O eroare comună în construcția termocuplurilor este legată de compensarea joncțiunii la rece. Dacă se face o eroare privind estimarea temperaturii de referinta, aceeași eroare va fi transmisă la măsurarea temperaturii. Pentru cele mai simple măsurători, firele de termocuplu sunt conectate la cupru la distanță de punctul fierbinte sau rece, a cărui temperatură este măsurată. Joncțiunea rece se presupune că este la temperatura camerei, dar această temperatură poate varia. Juncțiile ar trebui să fie făcute într-o manieră fiabilă, dar există multe abordări posibile pentru a realiza acest lucru. Pentru temperaturi scăzute, joncțiunile pot fi lipite, totuși poate fi dificil să se găsească un flux adecvat și acest lucru poate să nu fie potrivit la joncțiunea sensibilă datorită punctului scăzut de topire al lipitorului. De obicei, joncțiunile de referință și de extensie sunt realizate cu blocuri cu șuruburi . Pentru temperaturile înalte, o abordare comună este o sudură sau o criptare prin folosirea unui material durabil. Un mit comun cu privire la termocupluri este că intersecțiile trebuie să fie făcute curate, fără a implica un al treilea metal. Intersecțiile ar trebui să aibă, în principiu, o temperatură internă uniformă, prin urmare nu se generează tensiune la intersecție. Tensiunea este generată în gradientul termic, de-a lungul firului.

Un termocuplu produce semnale mici, adesea microvolți în magnitudine. Măsurătorile precise ale acestui semnal necesită un amplificator cu tensiune scăzută la intrare și cu precauție pentru a evita emfsul termic de la auto-încălzire în interiorul voltmetrului propriu-zis. Dacă firul termocuplului are o rezistență ridicată din anumite motive (contact slab la intersecții sau fire foarte subțiri utilizate pentru reacția termică rapidă), instrumentul de măsurare trebuie să aibă o impedanță de intrare ridicată pentru a preveni o decalare a tensiunii măsurate. O caracteristică utilă în instrumentația cu termocuplu va măsura simultan rezistența și va detecta conexiunile defectuoase la cablaj sau la joncțiunile termocuplurilor.

Termocuplurile sunt adesea folosite la temperaturi ridicate și în atmosfere de cuptor reactiv. În acest caz, durata de viață practică este limitată de îmbătrânirea termocuplurilor. Coeficienții termoelectrici ai firelor dintr-un termocuplu utilizat pentru a măsura temperaturile foarte ridicate se pot schimba în timp, iar tensiunea de măsurare în consecință scade. Relația simplă dintre diferența de temperatură a joncțiunilor și tensiunea de măsurare este corectă numai dacă fiecare fir este omogen. Pe măsură ce termocuplurile îmbătrânesc într-un proces, conducătorii lor pot pierde omogenitatea datorită modificărilor chimice și metalurgice cauzate de expunerea excesivă sau prelungită la temperaturi ridicate. Dacă secțiunea îmbătrânită a circuitului termocuplu este expusă la un gradient de temperatură, tensiunea măsurată va fi diferită, rezultând o eroare.

Termocuplurile vechi sunt doar parțial modificate, de exemplu, nu sunt afectate în părțile din exteriorul cuptorului. Din acest motiv, termocuplurile vechi nu pot fi scoase din locația lor instalată și recalibrate într-o baie sau cuptor de testare pentru a determina eroarea. De asemenea, un termocuplu în vârstă care este împins mai adânc în cuptor ar putea uneori să furnizeze o citire mai precisă dacă este împins mai departe în cuptor, determinând apariția gradientului de temperatură numai într-o secțiune proaspătă.

•Tipuri de termocuple

Anumite combinații de aliaje au devenit populare ca standarde industriale. Selectarea combinației este determinată de cost, disponibilitate, confort, punct de topire, proprietăți chimice, stabilitate și ieșire. Ele sunt de obicei selectate pe baza intervalului de temperatură și a sensibilității necesare. Termocuplurile cu sensibilitate scăzută (tipurile B, R și S) au rezoluții mai mici. Alte criterii de selecție includ inerția chimică a materialului termocuplu și dacă acesta este magnetic sau nu.  Tipurile de termocupluri standard sunt prezentate mai jos cu ajutorul electrodului pozitiv urmat de electrodul negativ.

1) Termocupluri din aliaj termic 

Tipul E ( cromel - constantan ) are un randament ridicat (68 μV / ° C), ceea ce îl face foarte potrivit pentru utilizarea criogenică . În plus, este nemagnetic. O gamă largă este de -50 ° C până la +740 ° C, iar intervalul îngust este -110 ° C până la +140 ° C.

Tipul J ( fier - constantan ) are un domeniu mai restrâns (-40 ° C până la + 750 ° C) decât tipul K, dar o sensibilitate mai mare de aproximativ 50 μV / ° C. Punctul Curie al fierului (770 ° C) [9] determină o schimbare netedă a caracteristicilor, ceea ce determină limita superioară a temperaturii.

Tipul K ( cromel - alumel ) este cel mai frecvent termocuplu general cu sensibilitate de aproximativ 41 μV / ° C.  Este ieftin și o gamă largă de sonde sunt disponibile în intervalul de la

-200 ° C la +1350 ° C (-330 ° F la + 2460 ° F). Tipul K a fost specificat într-un moment în care metalurgia a fost mai puțin avansată decât este astăzi și, prin urmare, caracteristicile pot varia considerabil între eșantioane. Unul din metalele constituente, nichelul , este magnetic. O caracteristică a termocuplurilor realizate cu material magnetic este faptul că acestea suferă o deviație a ieșirii atunci când materialul atinge punctul său Curie , de aproximativ 185 ° C.

Acestea funcționează foarte bine în atmosferă de oxidare. Dacă, totuși, o atmosferă intră în contact cu firele, cromul din aliajul de crom se oxidează. Acest lucru reduce ieșirea emf, iar termocuplul este redus. Acest fenomen este cunoscut ca putregaiul verde , datorită culorii aliajului afectat. Deși nu este întotdeauna în mod distinct verde, firul cromel va dezvolta o piele argintie pătată și va deveni magnetică. O modalitate ușoară de a verifica această problemă este să vezi dacă cele două fire sunt magnetice (în mod normal, cromelul este nemagnetic). Hidrogenul din atmosferă este cauza obișnuită a acestui fenomen.

Tipul M (82% Ni / 18% Mo -99,2% Ni / 0,8% Co ) se utilizează în cuptoare cu vid, temperatura superioară este limitată la 1400 ° C. Este mai puțin folosit decât alte tipuri.

Tipurile de termocupluri N ( Nicrosil - Nisil ) sunt adecvate pentru utilizarea între -270 ° C și +1300 ° C, datorită rezistenței sale și rezistenței la oxidare. Sensibilitatea este de aproximativ 39 μV / ° C la 900 ° C, ușor mai mică comparativ cu tipul K. Aliajele termocuplu Nicrosil și Nisil prezintă o stabilitate termoelectrică mult îmbunătățită față de celelalte aliaje de bază termocuplu standard, deoarece compozițiile lor reduc substanțial instabilitățile termoelectrice. Acest lucru se realizează în primul rând prin creșterea concentrațiilor de substanță dizolvată (crom și siliciu) într-o bază de nichel peste cele necesare pentru a determina trecerea de la modurile interne de oxidare la cele externe și prin selectarea substanțelor dizolvate (siliciu și magneziu) care se oxidează preferențial pentru a forma o difuzie - bariere și, prin urmare, filme de inhibare a oxidării.

Tipurile de termocupluri T ( cupru - constantan ) sunt potrivite pentru măsurători în domeniul -200 la 350 ° C. Se utilizează frecvent ca măsurătoare diferențială, deoarece numai sârma de cupru atinge sondele. Deoarece ambii conductori nu sunt magnetici, nu există nici un punct Curie și, prin urmare, nu există schimbări bruște ale caracteristicilor. Termocuplurile tip T au o sensibilitate de aproximativ 43 μV / ° C.  Cuprul are o conductivitate termică mult mai mare decât aliajele utilizate în general în construcțiile cu termocuplu și, prin urmare, este necesar să se acorde o atenție deosebită termocuplurilor de tip T de ancorare termică.

2) Termocupluri din aliaje de rodiu

Tipurile de termocupluri B, R și S utilizează platină sau aliaj de platină / rodiu pentru fiecare conductor. Acestea sunt printre cele mai stabile termocupluri, dar au o sensibilitate mai mică decât alte tipuri, aproximativ 10 μV / ° C. Tipurile de termocupluri tip B, R și S sunt de obicei utilizate numai pentru măsurători la temperaturi ridicate, datorită costului lor ridicat și sensibilității scăzute.

Tipurile B (70% Pt / 30% Rh-94% Pt / 6% Rh) sunt potrivite pentru utilizare la o temperatură de până la 1800 ° C. Termocuplurile tip B produc aceeași ieșire la 0 ° C și 42 ° C, limitându-le utilizarea sub aproximativ 50 ° C. Funcția emf are un minim de aproximativ 21 ° C, ceea ce înseamnă că este ușor de realizat o compensare a jonctiunii la rece, deoarece tensiunea de compensare este în esență o constantă pentru o referință la temperaturile tipice ale camerei. 

Tipurile de termocupluri R (87% Pt / 13% Rh-Pt) sunt utilizate între 0 și 1428 ° C.

Tipurile de termocupluri S (90% Pt / 10% Rh-Pt), similare tipului R, sunt utilizate până la

1600 ° C. Înainte de introducerea Scalei Internaționale de Temperatură din 1990 (ITS-90), termocuplurile tip-S de precizie au fost utilizate ca termometre standard practice pentru intervalul de la 630 ° C la 1064 ° C.

3) Cromel-aur / termocupluri din aliaj de fier

În aceste termocupluri ( crom - aur / aliaj de fier ), firul negativ este aurul cu o fracțiune mică (0,03-0,15 atomi la sută) de fier. Sarma de aur conferă termocuplei o sensibilitate ridicată la temperaturi scăzute (în comparație cu alte termocupluri la această temperatură), în timp ce firul cromel menține sensibilitatea aproape de temperatura camerei. Poate fi folosit pentru aplicații criogenice 

(1.2-300 K și chiar până la 600 K). Atât sensibilitatea cât și intervalul de temperatură depind de concentrația de fier. Sensibilitatea este de obicei de aproximativ 15 μV / K la temperaturi scăzute, iar cea mai mică temperatură utilizabilă variază între 1,2 și 4,2 K.

Tipurile P (55% Pd / 31% Pt / 14% Au-65% Au / 35% Pd, în greutate) termocupluri dau o tensiune termoelectrică care imită tipul K între 500 ° C și 1400 ° C, construită exclusiv din metale nobile și prezintă o rezistență sporită la coroziune. Această combinație este, de asemenea, cunoscută sub numele de Platinel II.

4) Termocupluri cu platină / aliaj de molibden

În reactori nucleari sunt uneori utilizați termocupluri din aliaj de platină / molibden (95% Pt / 5% Mo-99,9% Pt / 0,1% Mo), deoarece prezintă o scădere scăzută din transmutarea nucleară indusă de iradierea neutronilor, comparativ cu tipurile de platină / aliaje de rodiu

5) Iridiu / termocupluri din aliaje de rodiu

Utilizarea a două fire de aliaje de iridiu / rodiu poate asigura un termocuplu care poate fi utilizat până la aproximativ 2000 ° C în atmosfere inerte. 

6) Termocupluri din metale nobile Au-Pt, Pt-Pd 

Termocuplurile realizate din două metale nobile diferite, de înaltă puritate, pot prezenta o precizie ridicată chiar și atunci când sunt necalibrate, precum și niveluri scăzute de derivație. Două combinații utilizate sunt aur-platină și platină-paladiu. Limitele lor principale sunt punctele de topire scăzute ale metalelor implicate (1064 ° C pentru aur și 1555 ° C pentru paladiu). 

•Comparația tipurilor

Tabelul de mai jos descrie proprietățile mai multor tipuri de termocupluri diferite. În coloanele de toleranță, T reprezintă temperatura joncțiunii la cald, în grade Celsius. De exemplu, un termocuplu cu o toleranță de ± 0,0025 × T ar avea o toleranță de ± 2,5 ° C la 1000 ° C.

Fig 2.27. Comparatie Termocupluri

2.5 Algoritm PID

Un controler PID (proportional–integral–derivative controller) este un mecanism de feedback cu buclă de control utilizat pe scară largă în sistemele de control industrial și o varietate de alte aplicații care necesită un control modulat continuu. Un controler PID calculează continuu o valoare de eroare {\ displaystyle e (t)}e(t) ca diferența dintre o valoare de referință dorită (SP) și o variabilă de proces măsurată (PV) și aplică o corecție bazată pe termeni proporționali , integrați și derivați (numiți P , I și respectiv D ) care dau numele controlorului.

Acest controler combină controlul proporțional cu două reglaje suplimentare, care ajută unitatea să compenseze automat modificările din sistem. Aceste ajustări, integrale și derivate, sunt exprimate în unități bazate pe timp. Termenii proporționali, integrali și derivați trebuie să fie individual ajustați sau "reglați" la un anumit sistem, folosind încercări și erori. Acesta oferă controlul cel mai precis și mai stabil și este cel mai bine utilizat în sistemele care au o masă relativ mică, acelea care reacționează rapid la schimbările în energia adăugată la proces. Se recomandă în sisteme în care sarcina se schimbă adesea și se așteaptă ca automatizarea să se compenseze automat datorită schimbărilor frecvente ale valorii de referință, cantității de energie disponibilă sau masei care trebuie controlată. 

Fig 2.28. Diagramă bloc PID

În termeni practici, se aplică în mod automat corectarea unei funcții de control. Un exemplu de zi cu zi este controlul de croazieră pe un vehicul rutier, unde influențele exterioare, cum ar fi gradientele, ar provoca schimbări de viteză, iar șoferul are capacitatea de a modifica viteza setată dorită. Algoritmul PID convertește viteza reală la viteza dorită în mod optim, fără întârziere sau depășire, prin controlul puterii motorului vehiculului. Prima analiză teoretică și aplicarea practică a fost în domeniul sistemelor automate de direcție pentru nave, dezvoltate începând cu începutul anilor 1920. Acesta a fost apoi utilizat pentru controlul procesului automat în industria prelucrătoare, în cazul în care acesta a fost pus în aplicare pe scară largă în pneumatice, și apoi electronice, controlere . Astăzi există o utilizare universală a conceptului PID în aplicații care necesită un control automat precis și optimizat.

Trăsătura distinctivă a controlerului PID este capacitatea de a folosi cei trei termeni de control ai influenței proporționale, integrale și derivate asupra ieșirii controlerului pentru a aplica un control precis și optim. 

Diagrama bloc de mai jos arată principiile modului în care acești termeni sunt generați și aplicați. Acesta arată un controler PID, care calculează continuu o valoare de eroare {\ displaystyle e (t)}e(t) ca diferență între o valoare de referință dorită SP=r(t) {\ displaystyle {\ text {SP}} = r (t)}și o variabilă de proces măsurată {\ displaystyle {\ text {PV}} = y (t)}PV=y(t), și aplică o corecție bazată pe termeni proporțional , integral și derivat . Controlorul încearcă să minimizeze eroarea în timp prin ajustarea unei variabile de control {\ displaystyle u (t)}u(t), cum ar fi deschiderea unei supape de control , la o nouă valoare determinată de o sumă ponderată a termenilor de control.

Fig 2.29 Diagrama bloc controler PID

În acest model termenul P este proporțional cu valoarea curentă a erorii SP - PV e ( t ). De exemplu, dacă eroarea este mare și pozitivă, ieșirea de control va fi proporțional mare și pozitivă, ținând cont de factorul de câștig "K". 

Utilizarea unui control proporțional singur într-un proces cu compensare, cum ar fi controlul temperaturii, va duce la o eroare între valoarea de referință și valoarea reală a procesului, deoarece necesită o eroare de generare a răspunsului proporțional. Dacă nu există nici o eroare, nu există un răspuns corectiv. Termenul I contabilizează valorile anterioare ale erorii SP - PV și le integrează în timp pentru a produce termenul I. De exemplu, dacă există o eroare reziduală SP-PV după aplicarea controlului proporțional, termenul integrat încearcă să elimine eroarea reziduală prin adăugarea unui efect de control datorită valorii cumulative istorice a erorii. Când eroarea este eliminată, termenul integral va înceta să crească. Acest lucru va duce la diminuarea efectului proporțional cu scăderea erorii, dar aceasta este compensată de efectul integral în creștere. Termenul D reprezintă cea mai bună estimare a evoluției viitoare a erorii SP - PV, pe baza ratei actuale de schimbare. Se numește uneori "control anticipator", deoarece încearcă efectiv să reducă efectul erorii SP - PV prin exercitarea unei influențe de control generate de rata de schimbare a erorilor. Cu cât este mai rapidă schimbarea, cu atât este mai mare efectul de control sau atenuare. 

Funcția globală de control poate fi exprimată matematic ca:

(2.1)

-unde , si toate non-negative, denota coeficienții pentru termenii proporțioanli și derivați (uneori denumiți P, I si D).

Deși un controler PID are trei termeni de control, unele aplicații utilizează doar unul sau doi termeni pentru a furniza controlul adecvat. Acest lucru se realizează prin setarea parametrilor neutilizați la zero și se numește controler PI, PD, P sau I în absența celorlalte acțiuni de control. Controlorii PI sunt destul de obișnuiți, deoarece acțiunea derivată este sensibilă la zgomotul măsurătorilor, în timp ce absența unui termen integral poate împiedica sistemul să atingă valoarea țintă.

Utilizarea algoritmului PID nu garantează un control optim al sistemului sau stabilitatea sa de control . Pot apărea situații în care există întârzieri excesive: măsurarea valorii procesului este întârziată sau acțiunea de control nu se aplică suficient de repede. În aceste cazuri , compensarea plumb-lag trebuie să fie eficientă. Răspunsul operatorului poate fi descris în termenii reacției sale la o eroare, gradul în care sistemul depășește o valoare de referință și gradul de oscilație a sistemului. Dar controlerul PID este în general aplicabil, deoarece se bazează numai pe răspunsul variabilei procesului măsurat, nu pe cunoașterea sau modelul procesului de bază.

Buclele electronice de control analogice PID au fost adesea găsite în sistemele electronice mai complexe, de exemplu, poziționarea capului unei unități de disc , condiționarea alimentării cu energie electrică sau chiar circuitul de detectare a mișcării unui seismometru modern . Dispozitivele electronice de control analogice au fost în mare parte înlocuite cu controale digitale care utilizează microcontrolere sau FPGA-uri , pentru implementarea algoritmilor PID. Cu toate acestea, controlerele PID analogice discrete sunt încă folosite în aplicații de nișă care necesită performanțe înalte de bandă și zgomot redus, cum ar fi controlorii cu diode laser.

Proiectarea și reglarea unui controler PID pare să fie intuitivă din punct de vedere conceptual, dar poate fi dificilă în practică, dacă trebuie realizate obiective multiple (și adesea conflictuale), cum ar fi stabilitatea scurtă și stabilitatea înaltă. Controalele PID oferă adesea un control acceptabil folosind setările prestabilite, însă performanța poate fi în general îmbunătățită, iar performanța poate fi inacceptabilă datorită unei reglări necorespunzătoare. 

Există mai multe metode pentru reglarea unei bucle PID. Cele mai eficiente metode implică, în general, dezvoltarea unei anumite forme de model de proces, apoi alegerea lui P, I și D pe baza parametrilor modelului dinamic. Metodele de reglare manuală pot fi relativ consumatoare de timp, în special pentru sistemele cu timp de buclă lungă. Alegerea metodei va depinde în mare măsură de faptul dacă bucla poate fi luată sau nu "offline" pentru reglaj și timpul de răspuns al sistemului. Dacă sistemul poate fi deconectat, cea mai bună metodă de reglare implică adesea supunerea sistemului la o schimbare treptată a intrării, măsurarea ieșirii în funcție de timp și utilizarea acestui răspuns pentru a determina parametrii de control. Dacă sistemul trebuie să rămână conectat, se va stabili o metodă de reglare si valori la zero. Măriți până când ieșirea buclei oscilează, atunci ar trebui să fie setată la aproximativ jumătate din această valoare pentru un răspuns de tipul "decalaj de amplitudine trimestru". Apoi creșteți{\ displaystyle K_ {i}} până când orice compensare este corectată în timp suficient pentru proces. Cu toate acestea, prea mult{\ displaystyle K_ {i}} va cauza instabilitate. În cele din urmă, creșteți dacă este necesar, până când bucla este acceptabil de repede să ajungă la referință după o perturbare a sarcinii. Cu toate acestea, prea mult va provoca un răspuns excesiv și o depășire prea mare. O reglare rapidă a buclei PID depășește, de obicei, ușor pentru a ajunge mai repede la valoarea de referință; totuși, unele sisteme nu pot accepta depășirea, caz în care este nevoie de un sistem cu buclă închisă supracomprimat, {\ displaystyle K_ {d}}

Cele mai multe facilități industriale moderne nu mai au tonuri de bucle utilizând metodele de calcul manuale prezentate mai sus. În schimb, software-ul de optimizare PID și software-ul de optimizare a buclelor sunt folosite pentru a asigura rezultate consecvente. Aceste pachete software vor colecta datele, vor dezvolta modele de proces și vor sugera o reglare optimă. Unele pachete software pot chiar dezvolta reglajul prin colectarea datelor din modificările de referință.

Setarea tunelului PID la nivel matematic induce un impuls în sistem și apoi utilizează răspunsul frecvenței sistemului controlat pentru a proiecta valorile bucla PID. În bucle cu timpi de răspuns de câteva minute, se recomandă reglarea matematică a buclei, deoarece încercarea și eroarea pot dura zile doar pentru a găsi un set stabil de valori ale buclei. Valorile optime sunt mai greu de găsit. Unele controlere cu buclă digitală oferă o caracteristică de autoreglare în care sunt trimise la proces foarte mici modificări de valoare, permițând controlerului să calculeze valorile optime. Alte formule sunt disponibile pentru a regla buclele în funcție de diferite criterii de performanță. Multe formule brevetate sunt acum încorporate în software-ul de ajustare PID și în modulele hardware. Progresele obținute în software-ul de tuning cu buclă automată PID oferă, de asemenea, algoritmi pentru reglarea buclelor PID într-un scenariu de stare dinamică sau non-stabilă (NSS). Software-ul va modela dinamica unui proces, printr-o perturbare, și va calcula parametrii de control PID ca răspuns. 

Mai jos este o buclă simplă de software care implementează un algoritm PID:

previous_error = 0

integral = 0

loop:

error = setpoint - measured_value

integral = integral + error * dt

derivative = (error - previous_error) / dt

output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative

previous_error = error

wait(dt)

goto loop

Fig 2.31. Cod buclă algoritm PID

În acest exemplu, două variabile care vor fi menținute în bucla sunt inițializate la zero, apoi începe buclele. Eroarea curentă se calculează prin scăderea valorii măsurate (variabila de proces sau PV) de la valoarea de referință curentă (SP). Apoi se calculează valorile integrale și derivate , iar acestea și eroarea sunt combinate cu trei termeni de câștig prestabilit - câștigul proporțional, câștigul integral și câștigul derivat - pentru a obține o valoare de ieșire . În lumea reală, acesta este D-la-A convertit și a trecut în proces sub control ca variabila manipulată (MV). Eroarea curentă este stocată în altă parte pentru reutilizare în următoarea diferențiere, programul așteaptă până la trecerea secundelor dt de la pornire și bucla începe din nou, citirea în valori noi pentru PV și valoarea de referință și calcularea unei noi valori pentru eroare.

Reglajul cu buclă PID este utilizat într-o varietate de regulatoare de temperatură și pentru un număr variat de bucle. Setarea cea mai de bază este pentru un controler de temperatură pentru a calcula PID-ul și a gestiona un singur proces. Dispozitivele medicale de curățare folosesc adesea un regulator de temperatură PID cu o singură bucla pentru a se asigura că procesul se desfășoară la temperatura potrivită pentru o perioadă suficient de lungă pentru a steriliza în mod corespunzător uneltele. Un senzor de temperatură ar măsura temperatura din interiorul rezervorului de sterilizare, dupa care controlerul de temperatură PID ar interpreta apoi și va folosi pentru a crește sau a reduce puterea la elementul de încălzire. O configurație mai complexă a controlerului de temperatură PID este multiplus, în care un singur controler de temperatură gestionează simultan mai multe procese. Cu toate acestea, fiecare proces este discret și, prin urmare, operează pe bucle individuale, astfel încât o perturbare a unui proces nu va avea niciun impact asupra altui proces. 

Controlul temperaturii PID este o caracteristică de control a buclonului găsită pe majoritatea controlorilor de proces pentru a îmbunătăți acuratețea procesului. Controlerele de temperatură PID funcționează utilizând o formulă pentru a calcula diferența dintre valoarea de referință dorită a temperaturii și temperatura procesului curent, apoi prezic cât de multă putere trebuie utilizată în ciclurile ulterioare de proces pentru a asigura că temperatura procesului rămâne cât mai aproape posibil de valoarea de referință. Regulatoarele de temperatură PID diferă de controlerele de temperatură On / Off unde se aplică o putere de 100% până la atingerea valorii de referință, moment în care puterea este redusă la 0% până când temperatura din proces scade din nou sub valoarea setată. Acest lucru duce la depășiri regulate și întârzieri care pot afecta calitatea generală a produsului.

Regulatoarele de temperatură cu PID sunt mai eficiente în tratarea tulburărilor de proces, ceea ce poate părea ceva inofensiv, ca deschiderea unei uși de cuptor, dar schimbarea temperaturii poate avea apoi un impact asupra calității produsului final. Dacă regulatorul de temperatură PID este reglat corespunzător, acesta va compensa perturbația și va readuce temperatura procesului la valoarea de referință, dar va reduce puterea pe măsură ce temperatura se apropie de valoarea de referință, astfel încât să nu depășească și să supună produsul la prea multă căldură.

Controlerele de temperatură PID multiple sunt de asemenea valoroase pentru gestionarea proceselor cu mai multe zone în care există un singur proces de gestionat, dar elementul de încălzire este atât de mare încât pot exista diferențe de temperatură între o zonă și alta. De exemplu, într-un cuptor industrial cu șase elemente de încălzire diferite, temperatura ar trebui să fie uniformă în întreg cuptorul, dar diferitele elemente ar putea determina unele zone să fie mai fierbinți decât altele. Deoarece procesul necesită o temperatură uniformă, soluția este de a folosi un controler de temperatură PID multiplu pentru a acționa toate cele șase elemente de încălzire, astfel că există în mod efectiv șase bucle de control care rulează simultan. Controlerul PID poate apoi să regleze individual puterea la fiecare element de încălzire pentru a menține valoarea setată în toate zonele de încălzire din cuptor.

Fig 2.32. Controler temperatura PID

4. ARDUINO UNO

Arduino UNO este o placă de microcontroler deschisă pe scară largă, bazată pe microcontroler ATmega328P și dezvoltată de Arduino.cc . Placa este echipată cu seturi de icoane digitale și analogice de intrare / ieșire (I / O) care pot fi interfațate cu diverse plăci de expansiune (scuturi) și alte circuite. Placa are 14 știfturi digitale și 6 pini analogi. Este programabil cu Arduino IDE(Integrated Development Environment) prin intermediul unui cablu USB de tip B. Poate fi alimentat de un cablu USB sau de o baterie externă de 9 volți, deși acceptă tensiuni între 7 și 20 de volți. Este, de asemenea, similar cu Arduino Nano și Leonardo. Proiectul de referință hardware este distribuit sub licența Creative Commons Attribution Share-Alike 2.5 și este disponibil pe site-ul web Arduino . Sunt disponibile și fișiere de configurare și de producție pentru unele versiuni ale hardware-ului. "Uno" înseamnă unul în limba italiană și a fost ales pentru a marca lansarea programului Arduino Software (IDE) 1.0. Placa Uno și versiunea 1.0 a Arduino Software (IDE) au fost versiunile de referință ale Arduino, care au evoluat acum în versiuni mai noi. Placa Uno este prima dintr-o serie de plăci USB Arduino și modelul de referință pentru platforma Arduino. ATmega328 pe Arduino Uno vine preprogramat cu un bootloader care permite încărcarea unui nou cod la el fără utilizarea unui programator hardware extern. Comunică utilizând protocolul STK500 original. Uno diferă, de asemenea, de toate plăcile precedente prin faptul că nu utilizează chip-ul FTDI USB-to-serial driver, în schimb, acesta oferă Atmega16U2 (Atmega8U2 până la versiunea R2) programată ca un convertor USB-serial. Arduino UNO este în general considerată cea mai populară și mai populară bord sau seria de bord Arduino, cu panouri vândute la nivel mondial.

Fig 3.1. Componente placă Arduino Uno

Specificații tehnice Microcontroler ATmega 328P:

-Tensiune de operare: 5

-Tensiune de intrare: 7-20v

-Inele digitale I / O: 14 (din care 6 oferă ieșire PWM)

-Pini de intrare analogice: 6

-DC curent pe pin I / O: 20 mA

-Curentul DC pentru pinul de 3.3V: 50 mA

-Memorie flash : 32 KB din care 0,5 KB folosită de bootloader

-SRAM : 2 KB

-EEPROM : 1 KB

-Viteza ceasului: 16 MHz

-Lungime: 68,6 mm

-Lățime: 53,4 mm

-Greutate: 25 g

Funcțiile generale ale pinilor:

LED : Există un LED încorporat, acționat de pinul digital 13. Când pinul este HIGH, LED-ul este aprins, când pinul este LOW, este oprit.

VIN : Tensiunea de intrare a plăcii Arduino atunci când utilizează o sursă externă de alimentare (spre deosebire de 5 volți de la conexiunea USB sau altă sursă de alimentare reglată). Puteți furniza tensiune prin acest pin sau, dacă alimentați tensiunea prin mufa de alimentare, accesați-l prin acest pin.

5V : Acest pin scoate un regulat 5V de la regulatorul de pe placa. Placa poate fi alimentată de la mufa de alimentare DC (7 - 20V), conectorul USB (5V) sau pinul VIN al plăcii (7-20V). Tensiunea de alimentare prin pinii 5V sau 3,3V ocolește regulatorul și poate deteriora placa.

3V3 : o sursă de 3.3 volți generată de regulatorul de bord. Rezistența curentului maxim este de 50 mA.

GND : pini de sol.

IOREF : Acest pin pe placa Arduino furnizează referința de tensiune cu care microcontrolerul funcționează. Un scut configurat corespunzător poate citi tensiunea de pin IOREF și poate selecta sursa de alimentare adecvată sau poate activa traducătorii de tensiune pe ieșiri pentru a funcționa cu 5V sau 3,3V.

Resetare : Utilizat în mod obișnuit pentru a adăuga un buton de resetare la scuturile care-l blochează pe cel de pe placă. 

Funcții speciale ale pinului 

Fiecare dintre cei 14 pini digitali și 6 pini analogi de pe Uno pot fi utilizați ca intrări sau ieșiri, utilizând funcțiile pinMode (), digitalWrite () și digitalRead (). Acestea funcționează la 5 volți. Fiecare pin poate furniza sau recepționa 20 mA si au o rezistență internă de tracțiune (deconectată în mod implicit) de 20-50k ohm. Un maxim de 40 mA este valoarea care nu trebuie depășită pe nici un pin de intrare / ieșire pentru a evita deteriorarea permanentă a microcontrolerului. Uno are 6 intrări analogice, numite A0 până la A5, fiecare furnizând 10 biți de rezoluție (adică 1024 diferite valori). În mod prestabilit, se măsoară de la sol la 5 volți, deși este posibil să se schimbe capătul superior al domeniului lor folosind funcția AREF pin și funcția analogReference (). 

-Serial : pinii 0 (RX) și 1 (TX). Folosit pentru a recepționa (RX) și a transmite (TX) date seriale TTL. Aceștia sunt conectați la pinii corespunzători ai cipului ATmega8U2 USB-to-TTL Serial.

External Interrupts: pinii 2 și 3. Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerupere la o valoare scăzută, o margine în creștere sau în scădere sau o schimbare a valorii.

-PWM (Pulse Width Modulation) 3, 5, 6, 9, 10 și 11 poate furniza PWM de ieșire de 8 biți cu funcția analogWrite ().

-SPI ( Serial Peripheral Interface): 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Acești pini acceptă comunicarea SPI utilizând biblioteca SPI.

-TWI ( Two WIRE Interface): PIN - A4 sau SDA și A5 sau PIN SCL. Suportă comunicarea TWI folosind biblioteca Wire.

-AREF ( Analog REFerence): Tensiunea de referință pentru intrările analogice. 

Arduino Uno are o serie de facilități pentru comunicarea cu un computer, o altă placă Arduino sau alte microcontrolere. ATmega328 oferă comunicație serială UART TTL (5V), disponibilă pe pinii digitali 0 (RX) și 1 (TX). Un ATmega16U2 de pe placa de canale are o comunicare serială prin USB și un port com virtual la software-ul de pe computer. Firmware-ul 16U2 utilizează drivere USB standard și nu este nevoie de driver extern. Cu toate acestea, în Windows, este necesar un fișier .inf. Software-ul Arduino (IDE) include un monitor serial care permite trimiterea de date textuale simple la și de la bord. LED-urile RX și TX de pe placă vor clipi când datele sunt transmise prin cip USB-to-serial și conexiune USB la computer (dar nu și pentru comunicarea serială pe pinii 0 și 1)

Resetare automată (software). În locul solicitării unei presări fizice a butonului de resetare înainte de încărcare, placa Arduino Uno este proiectată astfel încât să poată fi resetată prin software care rulează pe un computer conectat. Una dintre liniile de control al fluxului hardware (DTR) ale ATmega8U2 / 16U2 este conectată la linia de resetare a ATmega328 printr-un condensator de 100 nanofaradi. Când această linie este afirmată (scăzută), linia de resetare scade suficient de mult pentru a reseta cipul.  Această configurație are alte implicații. Când Uno este conectat la un computer care rulează Mac OS X sau Linux, acesta se resetează de fiecare dată când se face o conexiune cu software-ul (prin USB). În timp ce este programat să ignore datele incorecte (adică orice, în afară de încărcarea unui nou cod), va intercepta primii câțiva octeți de date trimise plăcii după deschiderea unei conexiuni.

Fig 4.2. Schemă electrică Arduino Uno

3. Implementare hardware

3.1 Implementare hardware

Schema de principiu este prezentată în figura de mai jos. După cum se poate observa, sistemul electronic are ca și punct central un sistem de dezvoltare Arduino Nano. Acesta a fost ales, în primul rând datorită dimensiunilor fizice reduse și în al doilea rând datorită interfeței USB existente (față de Arduino Mini, comparabil ca și dimensiuni fizice) fapt care permite eliminarea unui alt modul pentru programare.

În jurul sistemului de dezvoltare sunt mai multe module care îndeplinesc diverse funcții, astfel, există un afișaj grafic color utilizat pentru afișarea temperaturii letconului, a temperaturii setate din potențiometru (temperatura la care se dorește a se ajunge), a stării de comanda sau nu a procesului de încălzire pentru letcon, există un potențiometru analogic pentru setarea temperaturii dorite, la care se dorește a se lucra, un amplificator pentru termocuplu de tip K, MAX6675, amplificator care are și partea de conversie analog-digitală, furnizând direct temperatura măsurată, un modul de comanda cu un tranzistor de putere de tip mosfet, pentru comanda încălzirii letconului.

Fig. Schema bloc a circuitului pentru măsurarea și controlul temperaturii

A fost aleasă ca metodă de introducere a temperaturii setate varianta cu potențiometru deoarece nu s-a dorit realizarea unui sistem cu meniuri, cu diverse configurații, singura configurare fiind temperatura la care se dorește să ajungă vârful letconului.

În prima fază a fost testată soluția aleasă pentru măsurarea temperaturii, prin conectarea termocuplului K la modulul MAX6675, acesta la rândul său fiind conectat la sistemul de dezvoltare Arduino Nano. Informațiile obținute în urma măsurătorilor au fost trimise pentru vizualizare prin intermediul portului serial în terminalul serial al programului Arduino IDE.

Fig. Conectorul pentru letcon, modulul MAX6675 și Arduino Nano

În figura de mai sus se poate observa modul de conectare a componentelor pentru măsurarea temperaturii. Letconul se conectează la sistem prin intermediul unui conector cu 5 pini, 2 sunt utilizați pentru rezistența de încălzire, 2 sunt pentru termocuplu și un pin este pentru legarea la masă a părților metalice ale letconului.

Modulul cu circuitul MAX6675 poate furniza temperatura măsurată cu o rezoluție de 0,25 grade Celsius, având un convertor integrat analog-digital pe 12biți, realizând automat și compensarea joncțiunii reci precum și detectarea întreruperii conexiunii cu termocuplul, semnalizând astfel, o posibilă întrerupere a conexiunii cu senzorul. Comunicația se realizează utilizând protocolul SPI, comunicația fiind doar ”read only”, cu alte cuvinte doar se pot citi date de la MAX6675, nu necesită nici o operațiune de scriere.

Trebuie precizat faptul că nu se utilizează o sursa de alimentare inclusă în carcasa aparatului ci s-a preferat o sursa de alimentare externă, rezultând o carcasă de dimensiuni fizice mai reduse, fiind mult mai portabilă din acest punct de vedere, are o greutate mai redusă cu implicații nedorite în privința stabilității ei pe masa de lucru (fiind de preferat o greutate mai mare pentru o stabilitate mai mare) dar prezintă avantajul că poate fi alimentată cu o plaja largă de tensiuni continue 12V - 24V ceea ce permite alimentarea ei de la acumulatori externi. Consumul declarat al rezistenței de încălzire a letconului este de 40W, adică un curent de 3,33A la o tensiune de alimentare de 12V.

Fig. Vedere din spate a carcasei (alimentare și conector letcon)

A urmat conectarea letconului, a sursei de alimentare externă și a tranzistorului de putere pentru a comanda încălzirea letconului, citirea și compararea cu o temperatură fixă (definită în program).

Fig. Testarea măsurării, comparării temperaturii, comanda încălzirii

Elementul de comanda a rezistenței electrice este un tranzistor mosfet de tip n, IRFZ44N, care permite un curent continuu maxim de 39A (la o temperatură a capsulei de 100 grade Celsius), ceea ce permite utilizarea unor rezistențe de încălzire de puteri și mai mari. Temperatura tranzistorului în conducție continuă (când s-a testat funcționarea doar ON/OFF) a fost egală cu cea a mediul ambiant, nu s-a determinat o temperatură crescută (prin contact cu mâna). În regim de comutație (PWM) temperatura ar fi și mai mică, deci nu poate constitui o problemă acest aspect.

Urmează etapa de introducere a temperaturii dorite prin intermediul unui potențiometru de 10k, fiind conectat cu uun capăt la masă, celălalt capăt la VCC iar cursorul la intrarea analogica A0.

Fig. Conectarea elementului de introducere a temperaturii dorite

Ultima etapă este cea a conectării modulului LCD TFT 128x160 pixeli, color, controler ST7735, cu diagonala de 1,8”. Această componenta a generat mai multe probleme de comunicație. Interfața de comunicare este SPI, modulul grafic putând fi alimentat cu tensiune în intervalul 3,3V - 5V. Într-o primă fază s-a alimentat ecranul la 3,3V pinii de comunicație fiind conectați direct la pinii sistemului Arduino. Nu s-a reușit utilizarea lui, neafișând nimic pe ecran. A urmat conectarea alimentării la 5V cu aceleași efecte, de nefuncționare.

După mai mult timp de testare, de studiu a informației de pe internet, de încercări de mai multe variante de biblioteci s-a ajuns la soluția de conectare corectă: indiferent de tensiunea de alimentare (3,3V sau 5V) pinii de comunicație permit doar nivele de tensiune de 3,3V.

Astfel s-a rezolvat problema prin înserierea unor rezistențe de 1K pe pinii de comunicație, sistemul de dezvoltare Arduino Uno putând astfel realiza comunicația cu controlerul modulului grafic.

Fig. Conectarea și configurarea ecranului LCD grafic

Avantajul utilizării unui afișaj grafic constă în posibilitatea de a scrie cu fonturi de dimensiuni mai mari anumiți parametri pe ecran, fiind astfel mai vizibili față de alți parametri care nu prezintă aceeași importanță sua relevanță.

În acest caz, temperatura măsurată a letconului și temperatura stabilită prin intermediul potențiometrului, sunt valorile care au cea mai mare relevanță în cazul unei stații de lipit.

De asemenea, fiind un ecran color, se pot pune în evidență anumite valori sau stări ale aparatului, cum ar fi colorarea cifrelor temperaturii letconului cu culoarea roșie atunci când este comandată încălzirea letconului și culoare galbenă atunci când letconul este în starea de răcire. Pentru situația când se utilizează algoritmul PID, încălzirea se produce aproape în mod continuu fiind modulată tensiunea de la bornele rezistenței, cu alte cuvinte valoarea vitezei de creștere a temperaturii letconului este invers proporțională cu diferența de temperatură măsurate. Cu alte cuvinte cu cât diferența de temperatură este mai mare cu atât se va comanda o încălzire mai rapidă iar cu cât se apropie de limita fixată a temperaturii viteza de creștere a temperaturii scade (se va încălzi mai încet),

3.2 Implementare software

În figura de mai jos este prezentată schema logică a programului pentru microcontrolerul ATmega328p care rulează pentru acest proiect pe platforma de dezvoltare Arduino Nano.

Fig. Schema bloc a programului ATmega328p (Arduino Nano)

După cum se poate observa din figura de mai sus, programul începe prin declararea variabilelor utilizate precum și prin declararea constantelor utilizate în cadrul algoritmului PID.

Urmează funcția de inițializare ”setup()”, unde sunt realizate inițializările unor variabile, declararea pinilor utilizați ca fiind de intrare sau de ieșire, funcție de utilizarea lor, precum și inițializarea celor două module utilizate în acest proiect, modulul MAX6675 și modulul grafic LCD. Modulul MAX6675 are nevoie de inițializare în sensul în care e nevoie de un timp de așteptare de la alimentarea montajului până când circuitul poate furniza rezultatul conversiei la ieșire.

De asemenea este nevoie și de inițializare comunicației seriale, mai ales în perioada de testare, când s-a verificat funcționarea unor componente în mod succesiv și singura modalitate de afișare a a rezultatului fiind cea de a trimite datele măsurate sau calculate pe interfața serială, pentru a fi vizualizate pe un calculator. Interfața seriala a fost utilizată și pentru a salva datele și în momentul în care s-a dorit analiza performanțelor obținute de către sistem, a diferențelor în ceea ce privește performanța având algoritmul PID funcțional sau fără algoritmul PID activ. Datele au fost salvate într-un fișier text fiind ulterior importate într-un program urmând a fi generate câteva grafice comparative pentru a putea realiza analiza.

Pentru a realiza măsurarea temperaturii termocuplului prin intermediul modulului MAX6675 este necesară utilizarea interfeței SPI pentru comunicare cu acesta precum și a unei biblioteci de funcții care permit interpretarea datelor măsurate. Astfel, prin intermediul acestor funcții, există posibilitatea de a obține temperatura direct în grade celsius. Funcția care permite acest lucru este:

temp_letcon=thermocouple.readCelsius();

Obținerea valorii temperaturii la care se dorește să se lucreze cu letconul, respectiv temperatura care este stabilită de către utilizator, se realizează prin utilizarea unei rezistențe variabile (a unui potențiometru) conectat similar unui divizor de tensiune variabil, capetele rezistenței fiind conectate la alimentarea VCC (5V) și la masă (GND), pe cursorul potențiometrului obținând o tensiune proporțională cu poziția acestuia. Nu este nevoie de un calcul exact al acestei tensiuni obținute, deoarece prezintă interes doar obținerea unei valori proporționale cu poziția cursorului și prin urmare nu a fost necesară convertirea rezultatului obținut în urma conversiei analog-digitale în tensiunea corespunzătoare. Cursorul potențiometrului a fost conectat la intrarea A0 iar funcția de conversie utilizată este:

temp_pot=analogRead(A0);

Convertorul analog-digital conținut de către microcontrolerul ATmega328p este pe 10 biți, mărimea obținută în urma conversie este cuprinsă în intervalul 0 – 1024. Temperatura maximă de utilizare a unui letcon este de (uzual) de 450°C, deci se impune translatarea valorii obținute din intervalul 0 – 1024 într-o valoarea din intervalul 0 – 450, acest calcul se realizează cu ajutorul funcției:

temp_pot=map(temp_pot,0,1024,0,450);