Un Metodo Per Misurare La Precisione Delle Box TC

Premessa

L'invenzione del TC per il vaping ha il potenziale per rendere ancora più sicura la pratica in quanto ha lo scopo di evitare il surriscaldamento della wick dei vapori e dei residui solidi,impedendo quindi la decomposizione termica ed il rilascio di sostanze tossiche.
Ma la domanda che molti si pongono è se possiamo fidarci delle nostre box TC ovvero se funzionano davvero: se impostiamo il limite a 200°C è certo che la coil non li supererà?
Per quel che ne so, sebbene l'argomento sia molto discusso nei forum dedicati all'argomento, nessuno ha mai eseguito test seri sulle box TC. La prova dell'acqua, da me stesso propugnata e propagandata,non ha mai dato esiti risolutivi se non il rafforzamento della sensazione che le box siano molto imprecise.
Qui voglio proporre una metodologia per la verifica della precisione delle BOX TC. Non riporterò pertanto test su box specifiche ma descriverò come si può eseguire il test, quali problemi ci sono e come si possono superare.


Difficoltà metodologiche

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 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. Inoltre se la box implementa il blocco per "dry coil", andrà continuamente in blocco.
• 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 (non convezione a causa della wick) con il liquido che avviene in condizioni di utilizzo reale. Ciò può comportare una forte disomogeneità nella temperatura raggiunta dalle diverse parti della coil e che ciò avvenga è noto a tutti i vapers che si sono cimentati nella costruzione di una contact coil ( quando si eliminano gli hot spots la parte centrale della coil è la prima ad arrivare ad incandescenza)

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 termocamera IR che hanno il vantaggio di evitare il contatto con la coil. L'uso di una termocamera generica (di costi contenuti) è reso arduo dalle piccole dimensioni della coil rispetto al campo dell'obbiettivo mentre una termocamera con funzioni macro ha costi proibitivi. 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 temperatura 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.

I primi passi

A causa del costo elevato delle termocamere IR con macro-obiettivo e delle difficoltà legate alla determinazione dell'emissività della coil, ho scartato l'idea di usare gli infrarossi ed ho deciso di usare una semplice ed economica termocoppia. Ho considerato anche l'utilizzo di RTD ma ho scelto la termocoppia perché mi è stato facile trovarne del tipo essenziale a fili scoperti con ingombro minimo e capacità termica del tutto trascurabile. Le RTD che ho trovato erano invece tutte protette da involucri metallici più o meno ingombranti. Inoltre il costo di una termocoppia di tipo K a fili scoperti è di pochi euro e molti multimetri anche economici sono in grado di eseguire la misura di temperatura mediante termocoppia K.
I primi esperimenti fatti con la termocoppia infilata nella coil sono stati difficoltosi e deludenti. Inizialmente infilavo la termocoppia in una guaina di fibra di vetro che conduce il calore ma non la corrente in modo da evitare il contatto elettrico tra la termocoppia e la coil. Così facendo però la risposta della termocoppia era troppo ritardata rispetto alla temperatura della coil dopo i canonici 10 secondi di erogazione della box (dopo i quali si ha la disattivazione automatica) , la temperatura misurata con il multimetro era ancora in crescita. Ciò mi costringeva ad eseguire lunghi preriscaldamenti del sistema coil-termocoppia prima di effettuare le misure vere e proprie ed in ogni caso le letture erano instabili.
Sono riuscito a mitigare i problemi riempiendo di pasta termo-conduttiva la guaina di fibra di vetro in modo che tra guaina e termocoppia il calore fosse trasmesso per conduzione. Visti i miglioramenti ho realizzato che anche la trasmissione del calore tra coil e guaina avrebbe dovuto avvenire per conduzione e pertanto ho provato a riempire la coil con la stessa pasta termo-conduttiva. Ben presto la soluzione si è rivelata difettosa in quanto la pasta termo-conduttiva è adatta a temperature inferiori a 150 °C e tendeva ad essiccarsi creando dei vuoti.
Ciò nonostante la soluzione sembrava vicina,bastava trovare un sostituto della pasta, resistente a temperature più elevate, che fosse il più conduttore del calore possibile, ma nel contempo isolante elettricamente. Dopo settimane di ricerche sono riuscito a trovare il materiale adatto che non mi sarei mai aspettato: un silicone altamente termo-conduttivo ad elevatissima resistenza elettrica, con temperatura di utilizzo massima di 200 °C ma capace di sopportare per brevi periodi (30 s) fino a 250°C. Prodotto in Inghilterra, l'ho comprato in Germania.


Distinta del materiale necessario per il test

1. Una base da RBA o RDA.
2. Qualche centimetro di filo di rame rigido da 1 mm.
3. Un morsetto bipolare da PCB con contatti a morsa (vedi foto sotto) e serraggio a vite. Sceglieteli da almeno 6 A.
4. Una sonda di temperatura costituita da una termocoppia di tipo K a fili scoperti.
5. Silicone termoconduttivo ed elettricamente isolante resistente ad alte temperature. Questo è il componente più difficile da reperire, io sto usando un prodotto inglese ELECTROLUBE TCOR con temperatura di servizio fino a 200°C ma resistente per brevi periodi fino a 250°C.
6. Un multimetro che supporta la misura di temperatura tramite termocoppie. Moltissimi multimetri di fascia media sono adatti allo scopo.
7. La coil che volete usare per l'esperimento, adatta al TC e pertanto fatta di Ni200, Titanio, acciaio inox o altro. Consiglio di costruire una coil per basse potenze, massimo 20 W.

Preparazione dell'apparato sperimentale


A) Stagnare due spezzoni da 6-7 cm di filo di rame ai piedini del morsetto. La stagnatura va eseguita bene con il piedino è filo ben caldi. Se fate un occhiello, anche non chiuso, sul filo di rame intorno al pin, la superficie di saldatura raddoppia (come in foto).
Il capo opposto degli spezzoni di rame va piegato dolcemente per poter infilare gli estremi sulla base RDA. Consiglio di fissare i fili sulla base e solo dopo piegarli. Qualcuno si chiederà perché ho tenuto gli spezzoni di rame così lunghi; perché a forza di stringerli nelle viti della base, si schiacciano ed infine si spezzano. Quando uno si spezza taglio anche l'altro alla stessa misura. Facendoli inizialmente lunghi qualche centimetro posso usarli per decine di esperimenti.



B) Piegate e spaziate i piedini della coil in modo che entrino nel morsetto, ma non fissatela ancora. Si tratta adesso di riempire l'interno della coil e rivestirne l'esterno con il silicone termoconduttivo. Per lavorare meglio e non sporcarsi troppo può valere la pena di bloccare i piedini della coil con una molletta.

Il riempimento della parte interna è semplice, per il rivestimento esterno potete usare un pennellino. Alla fine del lavoro la coil assomiglierà ad una di quelle sotto riportate


Fate ben attenzione che non si formino vuoti all'interno della coil. Il rivestimento esterno si può fare in più passate, lasciando asciugare il silicone tra una mano e l'altra. Uno/due millimetri di spessore del rivestimento esterno possono andare bene. Badate che non rimangano scoperte parti delle spire. Anche i primi 1-2 mm delle gambette, primi a partire dalla coil, sarebbe bene se fossero rivestiti dal silicone. Lasciate asciugare il silicone per 24 ore prima di eseguire le prove.


C) A questo punto potete montare la base con il morsetto sulla box da provare e poi fissare la coil sul morsetto, stringendo bene le viti. Trattandosi di morsetti a "morsa" in cui cioè la vite non morde direttamente il filo, si possono stringere bene senza che il filo si danneggi.


D) a questo punto, con l'aiuto di un ago o un punteruolo, bisogna praticare un foro della profondità di circa 4 mm su un lato della coil per poterci poi infilare la termocoppia. Cercate di centrare il foro in modo che la termocoppia non possa toccare le spire della coil.


A questo punto siete pronti per iniziare il test. Collegate la termocoppia al multimetro, infilate la parte terminale della sonda nella coil in modo che penetri fino a circa metà lunghezza della coil, ed affiancate box e multimetro come nella foto che segue


Per essere certi che la termocoppia non abbia toccato le spire della coil, potete misurare la resistenza della coil con la termocoppia infilata e senza. Le misure devono essere identiche.


Esecuzione di una prova

Cautela: nella sperimentazione è insito un certo grado di pericolo, anche grave. Se non siete pratici lasciate perdere.

Configurate la box TC per il materiale di cui è fatta la coil di prova, Ni200, Titanio, SS o altro e fate la misura a freddo della resistenza, bloccandola se la vostra box lo richiede. Se possibile, impostate una potenza di erogazione iniziale ragionevole per la coil che avete attrezzato. Impostate il TC della box a 180 °C ed il time out (se regolabile) a 10 secondi.
Pronti partenza e via: tasto fire premuto. Vedrete l'indicazione sul multimetro crescere più o meno velocemente fino a stabilizzarsi ad una temperatura massima, che è la reale temperatura raggiunta dalla coil, o poco meno, da confrontare con i 180°C impostati.
Più vicina è a 180°C la temperatura stabilizzata che leggete sul multimetro e migliore la precisione della vostra box.
Attenzione: durante l'erogazione tenete sotto controllo la temperatura sul multimetro, se questa dovesse superare i 240°C interrompete l'erogazione che a 250°C il silicone comincia a danneggiarsi e lo vedrete fumare. Sconsiglio vivamente di respirarne il fumo per cui fate la prova in ambiente aerato.
Se la box funziona bene potete anche alzare a 200 °C il TC.


Note

1. Ho trovato di grande utilità il preriscaldamento della coil: premere una prima volta il tasto fire fintanto che la temperatura misurata sul multimetro non arriva a 160°, al che staccate. Aspettate che la temperatura scenda a 150°C e a quel punto eseguite la prova vera e propria ri-premendo fire. Così facendo nel giro di pochissimi secondi la temperatura letta arriva a regime e si stabilizza.
2. Tendenzialmente la lettura sul multimetro sarà superiore a quella impostata a causa dell'inevitabile resistenza statica, vedete qui. Per ridurre al minimo la resistenza statica, serrate bene le viti, pulite bene i contatti, sia il pin che la madrevite, servendovi eventualmente di un antiossidante per circuiti elettronici e se necessario di carta vetrata fine (non sui filetti, mi raccomando). Se avete una box di qualità ed avete verificato che l'ohmmetro della box è molto preciso (errori intorno al mΩ), potete misurare la resistenza statica dell'apparato, mettendo un ponticello di rame (da 1 mm di diametro) nei morsetti al posto della coil; la resistenza a freddo che la box misurerà con il ponticello inserito è la resistenza statica. Aspettatevi valori da 5 a 25 mΩ, valori superiori indicano qualche serio problema di contatto. Il valore percentuale della resistenza statica rispetto alla resistenza reale della coil vi dà un'indicazione dell'errore sulla valutazione della temperatura: se la resistenza statica è il 10% della resistenza della coil, vi dovete aspettare un errore del 10& sulla temperatura, ovvero circa 18 °C. Ovviamente più è bassa la resistenza della coil e più influisce negativamente la resistenza di contatto.
3. Se il rivestimento siliconico della coil è troppo sottile, la box tenderà a interrompere precocemente l'erogazione dandovi il messaggio "dry coil" o equivalenti. Conviene in tal caso rinforzare lo strato esterno di silicone, dando un'altra mano ed aspettando che asciughi completamente. Ripetete il procedimento se ancora non fosse sufficiente. Diminuire la potenza di erogazione iniziale aiuta (poco) ad evitare il "dry coil". Se proprio non riuscite ad evitarlo dovete aerare la coil durante la prova con un fon (ad aria fredda) cercando la distanza giusta affinché non venga asportato troppo calore. Il blocco per dry coil può essere drasticamente ridotto costruendo una coil ad alta capacità termica: diametro interno di 4-5 mm, filo di spessore elevato e spire ben distanziate.
4. Se doveste avere dei dubbi sulla precisione della termocoppia o del multimetro nella misura della temperatura, potete misurare la temperatura dell'acqua che bolle. Se misurate 100°C o valori poco diversi, la vostra strumentazione è a posto. Su 5 termocoppie K di classe 1 che ho comprato, 3 misurano esattamente 100°C, le altre due 99°C, sempre con lo stesso multimetro (robaccia da 50 €).

Addendum

Con la base attrezzata con il morsetto si possono fare delle misure della resistenza statica del sistema, sempre che l'ohmmetro della box sia preciso. Tra le mie box TC, la più precisa è la IPV5 che ha un errore di circa 1 mΩ o meno.
Come faccio a saperlo? Ho montato un ponticello di rame sul morsetto al posto della coil ed ho eseguito la misura a freddo della resistenza, ottenendo 5 mΩ. Per verificare se la misura è corretta, ho montato sulla torretta una resistenza campione da 5 mΩ, precisione 1% ed ho rifatto la lettura ottenendo 11 mΩ di cui 5 sicuramente della resistenza campione e gli altri 6 evidentemente della resistenza statica che sembrerebbe pertanto da 6 mΩ.
Per ulteriore sicurezza ho montato una resistenza campione da 50 mΩ sempre all'1% e la lettura è risultata 55 mΩ e pertanto ho concluso che la resistenza statica è effettivamente di 5/6 mΩ e che la box sbaglia al massimo di 1 mΩ. Ricordate che 1 mΩ è un valore bassissimo e stringendo più o meno i morsetti o le viti di una torretta si producono variazioni anche di 5 mΩ.


Una volta nota la resistenza statica possiamo determinare la resistenza effettiva della coil sottraendo alla sua misura i 5 mΩ statici. Tutto ciò è utile solo se usiamo coil con resistenze molto basse. Infatti se la resistenza della coil è 0.5 Ω, l'errore introdotto dalla resistenza statica è solo dell'1%, ma su una coil da 0.1 Ω l'errore è del 5% e si tradurrà in un errore di 8-15 °C sulla stima della temperatura da parte della box, che però non può essere ad essa imputato.