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di Lorenzo Perego (Tabac) e Igino Pitacco (Igiit)
moderatori di Sigaretta Elettronica Forum

Igino Pitacco
Igino Pitacco
Lorenzo Perego
Lorenzo Perego

Attualmente quasi tutte le box in vendita supportano la modalità di controllo di temperatura, più nota come modalità TC (Temperature Control). Il TC nasce con il circuito DNA40, rilasciato nel 2014 da Evolv, ma diventato popolare nel 2015, anno in cui tutti i maggiori costruttori rilasciano box e circuiti che imitano e talvolta migliorano il DNA40. In questo lavoro, dopo una breve introduzione al concetto di TC, verranno confrontate le prestazioni dei principali circuiti TC in termini di precisione del controllo di temperatura, evidenziando non solo la netta superiorità di alcuni circuiti, ma anche la dipendenza delle prestazioni dai materiali usati nella realizzazione delle coil.

Il concetto di power control o controllo di potenza è relativamente semplice ed i circuiti che lo implementano (VW) sono una naturale evoluzione dei circuiti regolatori di tensione (VV). L’utente sceglie la potenza a cui svapare in base a suoi gusti personali e all’hardware disponibile, e l’elettronica del circuito in base alla lettura della resistenza della coil automaticamente regola la tensione di alimentazione affinché la potenza erogata sia costante ed uguale quella prescelta. Nel grafico che segue è riportato l’andamento qualitativo della temperatura al variare del tempo a partire dall’istante in cui si inizia l’erogazione a potenza costante.

controllo1La curva 1 (azzurra) rappresenta la situazione ideale in cui la coil è completamente bagnata dal liquido sia nella fase iniziale sia durante tutta la durata dell’erogazione. Si noti che la temperatura sale fino a raggiungere, all’istante t1, la temperatura di evaporazione del liquido Tb. Da qui in poi rimane sensibilmente costante in quanto tutto il calore prodotto è speso per l’evaporazione. Ciò succede solo se la portata della wick è sufficiente ed adeguata alla potenza selezionata: tanto liquido evapora e tanto ne viene trasportato dalla coil. Se la coil fosse a secco fin dall’inizio, l’andamento della temperatura sarebbe quello tracciato dalla curva 4 (rossa) in crescita continua. Se ciò si verificasse, il materiale della wick , tipicamente cotone, ed i residui secchi del liquido, raggiunta la temperatura TW comincerebbero a decomporsi termicamente emettendo sostanze tossiche. La situazione di coil a secco è una condizione estrema così come lo è la situazione ideale. In pratica si verificano spesso delle situazioni intermedie tra le due come quelle relative alle curve 2 e 3 (viola ed arancione). Nel primo caso succede che a partire dalla coil perfettamente bagnata, a seguito dell’evaporazione del liquido direttamente a contatto con il filo, nel caso la portata della wick non sia adeguata alla potenza erogata, ad un certo istante t2 la temperatura comincia a salire. Nella seconda la coil non è bagnata perfettamente fin dall’inizio ed il superamento della temperatura di ebollizione avviene subito. In entrambi i casi la temperatura sale oltre a quella di evaporazione del liquido e può raggiungere i valori critici TW . L’idea del TC è proprio quella di evitare il superamento di una certa soglia di temperatura di guardia. Idealmente la temperatura di soglia Tc dovrebbe essere di poco superiore alla temperatura di ebollizione Tc del liquido e sensibilmente inferiore a quella di decomposizione TW. Quando la temperatura della coil raggiunge il valore di soglia Tc il circuito comincia a diminuire la potenza erogata in modo da mantenere costante la temperatura. L’effetto dell’azione del TC è rappresentata qualitativamente nel grafico seguente:

confronto2

Si noti che in ognuna delle situazioni considerate il TC impedisce la crescita della temperatura oltre a quella impostata Tc, tagliando o comunque regolando opportunamente la potenza. La situazione rappresentata è piuttosto idealizzata per diversi motivi. La misura della temperatura da parte del circuito è affetta da errori che dipendono in parte dalla qualità del circuito, in parte dalla qualità dell’atomizzatore ma anche dal grado di pulizia dei contatti elettrici. La soluzione corrente per implementare il TC è basata sull’utilizzo dello stesso elemento resistivo riscaldante per stimare la temperatura. Viene sfruttata la variabilità della resistenza elettrica di alcuni materiali al variare della temperatura: nota la resistenza iniziale R0 della coil (a freddo ovvero ad una temperatura iniziale T0 prestabilita), dalla misura della resistenza attuale R si può stimare la temperatura attuale, perlomento se è noto il comportamento termoelettrico del materiale ovvero la funzione f(T) nota come TFR (ing. Temperature Factor of Resistance) in base alla relazione
confronto3Per alcuni materiali, nell’intervallo di temperatura di vaping (~ 150-300°C) la funzione f(T) è sostanzialmente affine (ha andamento rettilineo) ed è ben approssimata dalla relazione
confronto4

essendo a il coefficiente termico di resistenza, noto come TCR (ing. Temperature Coefficient of Resistance). In ogni caso invertendo le precedenti relazioni si ottiene la stima della temperatura T a partire dalla misura di R.

Gli errori nella stima della temperatura dipendono da vari fattori. 1) Errori di misura della resistenza R ed R0 da parte del circuito. Sono dovuti agli errori del convertitore analogico digitale (ADC) nella misura della corrente e della tensione erogate con cui il processore calcola la resistenza in base la legge di Ohm. I circuiti di qualità garantiscono errori dell’ordine di 1 mW, quelli più economici sbagliano anche di 20-30 mW . 2) Errore introdotto dalla resistenza statica ovvero dalla resistenza della catena di contatti che và dall’attacco 510 della box per arrivare ai morsetti a cui è collegato il filo resistivo. In altre parole la resistenza R misurata dal circuito è data dalla somma della resistenza della coil Rc con la resistenza statica Rs dei contatti e solo Rc varia con la temperatura secondo la funzione f(T). Attualmente solo il circuito DNA200 è in grado, mediante il software escribe, di tenere conto della resistenza statica che comunque deve essere valutata ed inserita manualmente dall’utente. Indicativamente la resistenza statica varia tra i 5 ed i 40 mW. 3) Errori nella prescrizione di f(T) o del TCR a. Ad esempio gli acciai inossidabili usati come materiale resistivo hanno delle caratteristiche termoelettriche dipendenti dalla composizione che però non è univocamente determinata per ogni classe di acciaio. Non tutti gli acciai AISI SS304 hanno la stessa composizione. A tali errori si deve aggiungere l’errore insito dell’algoritmo di controllo della temperatura che solo idealmente è in grado di mantenere costante la temperatura ma che in realtà produce oscillazioni più o meno ampie intorno ad un valore medio. Le deviazioni rispetto alla temperatura reale dovute agli errori menzionati sono tanto più grandi quanto più piccola è la resistenza iniziale R0 è tanto meno sensibile è il materiale alla variazione della temperatura (tanto più piccola è la pendenza di f(T) o tanto più piccolo è il TCR). Con resistenze molto piccole, ad esempio 0.1 W, dobbiamo aspettarci errori sulla temperatura molto più grandi che con resistenze di 0.5W. Con materiali poco sensibili, ad esempio l’acciaio inossidabile (TCR=0.00085-0.00130), dobbiamo aspettarci errori molto più grandi che con materiali sensibili come ad esempio il titanio (TCR=0.00366). Con atomizzatori e box di alta qualità costruttiva e buoni materiali dobbiamo aspettarci resistenze statiche abbastanza basse (5-15 mW ) perlomeno se soggette ad una buona pulizia periodica e frequente. Con box ed atom economici dobbiamo invece aspettarci resistenze statiche dell’ordine di 20-40 mW ed anche poca stabilità delle stesse. E’ facile verificare quanto può variare la resistenza avvitando più o meno saldamente un atomizzatore alla box (5-20 m W ) e tale variazione è tutta nella parte statica della resistenza. In prima approssimazione, l’influenza sull’errore di temperatura della resistenza statica è proporzionale al rapporto tra la resistenza statica e la resistenza reale della coil  moltiplicato per il salto di temperatura che si vuole ottenere:

comprazione5Ad esempio, se la resistenza della coil è 0.15W , se la resistenza statica è 15 mW dalla temperatura ambiente di 20°C, in assenza di altri errori avremo
comparazione6e quindi la temperatura reale raggiunta dalla coil sarà di 20°C maggiore di quanto previsto, arrivando così a 240 °C. Lo stesso valore di resistenza statica con una coil da 0.45W si traduce in un errore 3 volte più piccolo ovvero di soli 6.6 °C.

DESCRIZIONE DELL’APPARATO STRUMENTALE

La misura della temperatura raggiunta da una coil è più agevole se eseguita con l’atomizzatore aperto e senza il materiale assorbente, ovvero con la coil scoperta e a secco. Ciò però comporta almeno due seri problemi:

Siccome la coil a secco ha una bassa capacità termica, l’aumento di temperatura potrebbe essere troppo repentino creando delle difficoltà, del tutto artificiali, al circuito di controllo TC. A secco la coil cede calore per convezione con l’aria circostante ed eventualmente per irraggiamento. Tale modalità di scambio è molto meno efficace della trasmissione per conduzione-convezione con il liquido che avviene in condizioni di utilizzo reale. Ciò può comportare una forte disomogeneità nella temperatura raggiunta dalle diverse parti della coil.

A ciò si aggiungono le problematiche legate alla misurazione della temperatura:

Misura mediante infrarossi. Si potrebbe pensare che il modo più semplice ed accurato per effettuare la misura sia quella di usare un termometro ad infrarossi (IR) o una telecamera IR che hanno il vantaggio di evitare il contatto con la coil. Ma l’uso di una telecamera IR generica (di costi contenuti) è reso arduo dalle piccole dimensioni della coil rispetto al campo dell’obbiettivo. In ogni caso, per effettuare misure precise mediante IR, rimane il grosso problema della determinazione dell’emissività della superficie della coil strettamente legato alla finitura superficiale del metallo, stato di ossidazione e complicato dalla geometria a “molla” della coil. Chi si intende di misure di temperatura mediante IR consiglia sempre, se si tratta di metalli, di verniciare la superficie con vernici nere opache.
Misura con termocoppie o RTD. In questo caso si pone il problema del posizionamento della sonda rispetto alla coil. Il contatto diretto non è consigliabile (e forse nemmeno possibile) in quanto essendo il sensore metallico e la coil attraversata da corrente si creerebbero delle inevitabili interazioni elettriche (corto circuito di alcune spire della coil, circolazione di corrente nel sensore). Nemmeno il posizionamento a distanza del sensore è consigliabile in quanto misurerebbe non la temperatura della coil ma bensì quella dell’aria che lo circonda. Anche se il sensore fosse inserito all’interno della coil e si riuscisse ad impedire la circolazione dell’aria, si avrebbe un notevole ritardo temporale dovuto alla modalità di trasmissione del calore coil-aria-sensore.

comparazione7Dopo vari tentativi si è giunti alla conclusione che un metodo semplice, economico e abbastanza affidabile per eseguire la misura della temperatura è quello di rivestire o immergere la coil metallica in un materiale termicamente conduttivo ma elettricamente isolante e dotato di un opportuno calore specifico in modo che la capacità termica del rivestimento sia sufficientemente alta e simile a quella in condizioni reali di vaping. L’idea è illustrata schematicamente nella figura. Si noti la coil immersa in un cilindro termo-conduttivo ed il posizionamento della termocoppia il più vicino possibile alla superficie metallica della coil ma comunque distaccato da questa per evitare il contatto elettrico. comparazione8comparazione9Il ritardo con cui la termocoppia rileverà la temperatura della coil dipenderà dalla distanza dalla coil e dalla conduttività del riempitivo. Effettuata una ricerca dei materiali adatti allo scopo, e’ stato individuato un silicone termo-conduttivo ad alto isolamento elettrico, in grado di sopportare in maniera continuativa temperature di 200°C e per tempi inferiori picchi di 240-250° centigradi.

L’andamento della temperatura della coil misurato dalla box e quello misurato in ritardo dalla termocoppia è schematicamente rappresentato nel grafico che segue

confronto10

L’andamento oscillante della curva azzurra è dovuto all’intervento dell’algoritmo di regolazione del TC. Il tempo necessario, a partire dall’inizio dell’erogazione, affinché la temperatura misurata dalla termocoppia (curva rossa) si stabilizzi è indicato con tst ed in pratica risulta di circa 7-10 secondi. Siccome molte box hanno un time out di erogazione di 10 secondi, per effettuare la misura si è sempre fatto un preriscaldamento atto a portare la termocoppia a circa 160 °C seguito da un’interruzione breve (pochi secondi) dell’erogazione ed infine dall’erogazione durante il quale si è misurata la temperatura una volta che letture si stabilizzavano all’istante t3. Lo schema seguito è riportato graficamente nella figura che segue

comparazione11Sono state preparate ed attrezzate tre coil di tre diversi materiali, Nichel, Titanio ed acciaio inossidabile, tutte utilizzate per la sperimentazione.

comparazione12

La resistenza a freddo è stata misurata con un milli-ohmmetro di sensibilità 0.1mW e precisione ±1mW previa accurata pulizia di tutti i contatti coinvolti nella misura.

CONDIZIONI DI PROVA

La temperatura limite del Tc nelle box è stata impostata a 200°C ed in un solo caso a 182°C. La potenza iniziale, sulle box in cui è possibile la regolazione, è stata fissata tra i 10W (o 10J sui circuiti Yihi) ed i 15W. Il timer di cutoff è stato fissato, dove possibile, a 10 secondi. Sui circuiti DNA200, in cui è possibile impostare potenza e tempo di preriscaldamento si è usata la stessa potenza di alimentazione e rispettivamente 0.5 secondi. Quando è stata utilizzata la modalità TCR manuale nelle BOX, non si sono usati i valori standard consigliati da steam-engine o da zivipf in quanto i primi sono valori stimati nel vaping range [20, 300] °C mentre i secondi sono quelli standardizzati per uso industriale fino a 426°C. Essendosi eseguite le prove intorno ai 200°C se si fossero utilizzati tali valori l’errore dovuto alla non linearità del comportamento termoelettrico sarebbe stato di parecchi gradi. Pertanto, per ognuno dei tre materiali considerati, la curva temperatura-resistenza di steam-engine è stata interpolata tra 20 e 200°C determinando di conseguenza il TCR più opportuno. Per ogni combinazione box-coil sono state eseguite dalle 3 alle 5 ripetizioni di ogni prova, aspettando tra una ripetizione e l’altra che la temperatura della coil scendesse sotto al valore di preriscaldamento fissato a 160°C. Per ogni ripetizione è stata annotata la temperatura massima reale raggiunta. I risultati delle 3/5 ripetizioni sono riportati sotto forma di media delle temperature massime indicate con il simbolo Tm,r e di massima temperatura massima TM,r. La differenza tra queste due grandezze è una buona misura della dispersione delle misure ovvero della stabilità di funzionamento delle box.

comparazione13Per la valutazione della qualità delle box è stata introdotta la nozione di classe attribuita in base agli errori massimi sulla temperatura

comparazione14Per le box che consentono l’uso in modalità TCR manuale la classificazione è stata eseguita in base alle prestazioni in tale modalità. Durante l’esecuzione delle prove, dopo la fase di riscaldamento, alcune box, in particolare la IPV5 con la coil in Nichel tendevano ad andare in blocco per dry coil. Per riuscire ad arrivare ad una lettura stabile delle temperature misurate è stato necessario, dopo ogni primo blocco, rilasciare e premere il pulsante fire più di una volta. La VT133, ovvero il circuito Evolv DNA200 è stato provato per tutti i materiali con 3 modalità: quella preimpostata nel software Escribe basata sulla curva TFR, quella con prescrizione manuale del TCR e quella con curva TFR tratta da steam engine. Siccome il DNA200 è l’unico circuito che, tramite escribe, permette di inserire la resistenza statica dell’atomizzatore, al fine di rendere omogeneo il confronto tra box diverse, la resistenza statica è stata fissata a zero.

RISULTATI CON COIL SS316L

Il TCR dichiarato da zivipf per l’acciaio SS316L è 0.00100, quello dichiarato da steam-engine è 0.00088 ma nessuno dei due è’ soddisfacente se usato nell’intervallo di temperatura [20, 200] °C. Interpolando la curva TFR di steam-engine tra 20 e 200°C si è determinato il valore più appropriato del TCR pari a 0.00093, che è poi stato impostato sulle box in modalità TCR manuale. Andando su steam-engine wire wizard e selezionando l’acciaio SS316L, cliccando sulla voce “Table” dell’area “Temperature control results”, compare il TFR (Temperature Factor of Resistance) per un certo numero di valori di temperatura. Prendendo quello corrispondente a 200 °C ovvero 1.168 e calcolando il TCR tra 20 e 200°C con la relazione TCR=(1.168 – 1)/(200 -20) =0.000933 si ottiene il valore desiderato. Nella tabella che segue sono riportati per ogni box la temperatura impostata TC , la temperatura media reale raggiunta Tm,r e la temperatura massima reale raggiunta TM,r , calcolate su almeno 3 diverse prove. Evidenziati in blu i risultati migliori, in rosso i peggiori.

comparazione15* Sulla Dani Extreme V2, il valore minimo di TCR è 0.00100 e quindi non si è potuto usare il valore 0.00093.

RISULTATI CON COIL IN TITANIO

Per il Titanio si è usato un valore di TCR pari a 0.00368, praticamente coincidente con il valore suggerito da steam- engine (il comportamento del titanio è quasi perfettamente lineare nell’intervallo di vaping).

comparazione16Si noti come le letture, pur differendo di molto tra box e box, sono molto stabili: la differenza tra valore medio e massimo è sempre molto piccola, a conferma delle ottime proprietà del titanio in TC.

RISULTATI CON COIL IN NICHEL

 

Il valore del TCR nelle modalità TCR manuale, è stato dedotto da steam-engine interpolando il TFR del nichel a 200 °C (1.92271) con quello unitario a 20°C per ottenere TCR=(1.92271 -1)/( 200 – 20)=0.005126 ~ 0.00513

comparazione17*Quando la temperatura misurata dalla termocoppia raggiungeva i 245 °C, l’alimentazione veniva interrotta per non danneggiare eccessivamente il silicone termoconduttivo. La temperatura misurata continuava a salire di qualche grado arrivando sempre ad almeno 250°C.

CONCLUSIONI

 

comparazione18Complessivamente la box che esce vincitrice è la Pioner4You IPV5-200 o meglio il circuito Yihi SX330-200. Che con tutti i materiali provati, in modalità TCR manuale, ha ricevuto il rating massimo dando risultati estremamente precisi e consistenti.
Subito dietro troviamo il Dani Extreme V2 che solo con la coil in nichel non ha brillato in precisione.
Buono il comportamento della Hcigar Vt133 ovvero del circuito Evolv DNA200. Il suo pessimo comportamento con l’acciaio in modalità preimpostata è compensato dalle ottime prestazioni con la curva TFR di steam-engine ed anche con il TCR manuale.
Configurando correttamente il DNA200 con la resistenza statica dell’atomizzatore, la VT133 potrebbe forse guadagnare una classe in più con il nichel. Con il titanio sono stati fatti diversi tentativi in questo senso, ma senza riuscire a migliorare sostanzialmente i risultati.

Avvertenze degli autori: Sebbene abbiamo fatto il possibile ai fini di ottenere misure accurate, questo lavoro ha un grosso limite metodologico che risiede nel fatto di aver usato le box di nostra proprietà che usiamo tutti i giorni. Una ricerca scientificamente corretta e statisticamente significativa, avrebbe come presupposto l’utilizzo di non meno di 3 campioni di ogni box e tutte con la stessa anzianità di servizio.

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