Controladores de temperatura - PIDs

[leonardopm]

Caros,

 

Está aberto um tópico só para discussão sobre PIDs, já que esse é um tema específico e bem extenso.

 

Começo a discussão passando detalhes do kit que comprei, mas ainda não instalei: Trata-se de um controlador Sestos D1S-VR-220, duplo DIN. Comprei ele no eBay do vendedor xiejinghua, em Hong Kong. Saiu o controlador + termopar K + SSR de 80 Amperes por menos de 50 dólares (acho que foi US$ 48,00, não lembro direito agora o valor).

 

O controlador tem saída para SSR, o que é indispensável para montar um kit PID. O termopar tipo K é o tipo mais barato de sensor de temperatura e sua função é medir a temperatura da água forma mais fidedigna possível e levar essa informação até o controlador.

 

O SSR, ou Relé de Estado Sólido, nada mais é do que um relé que não possui comutadores e portanto não faz aquele barulhinho "tic, tic, tic". Sua função é abrir e fechar o circuito que aquece a caldeira da máquina, para controlar a temperatura. O SSR é comandado pelo controlador, que recebe a informação de temperatura do termopar e através de um complexo algoritmo determina quando o circuito da caldeira deve ser fechado ou aberto e por quanto tempo.

 

O uso de controladores PID permite a manutenção da temperatura da água com variação mínima, às vezes inferior a 0,5 grau Celsius, em contraposição aos termostatos originais da maior parte das máquinas caseiras, que permitem variações tão grandes como 15 graus. Sendo assim, as duas principais vantagens de um kit PID são: a manutenção de uma temperatura específica com estabilidade e precisão, assim como a possibilidade de usar temperaturas definidas pelo usuário, de forma a adequar a temperatura da extração a cada tipo de café.

 

Essa é uma brevíssima explicação em linhas gerais, pois o tema é, de fato, extenso. Para quem quiser saber mais sobre PID sugiro o já conhecido Google.

 

Abraços,

 

Leo

[leonardopm]

Complementando o post anterior, segue anexo o esquema elétrico da Gaggia Baby Twin, na versão 220V. Será bastante útil para quem quiser se aventurar.

[DDDiego_as]

Leonardo,

 

Você instalou esse kit?

Estou pensando em colocar um PID na minha maquina e no Ebay temos varios modelos com preços atraentes!

Será que qualquer controlador PID é melhor que o termostato que normalmente vem nas maquinas domesticas?

Quando digo qualquer PID quero dizer os na faixa de 15 a 25 dólares.

 

Abraços,

 

Diego

[Carneiro]

Sim, o controlador PID deve resultar em controle com histerese mínima, diferente dos termostatos bimetálicos de pouca qualidade.

 

Não acho que a precisão é fantástica - você verá o valor estabilizar em um número, mas certamente controladores baratos com sensores tipo K e classe normal (mais baratos, normalmente com erro de +-2°C) devem ter erro maior que 1°C. Mas isso, claro, é muito melhor que a histerese grande dos termostatos.

 

Um controlador e sensor melhor vai melhorar o sistema. Também verá o valor estabilizado em torno de um número e o erro será menor.

 

Não confundam com a calibragem, que também é importante - antes de instalar verificar se o sensor e controlador não precisam de uma correção. Por exemplo, medir a temperatura da superfície da água em ebulição, sabendo qual é o valor correto na sua altitude. Ideal também seria medir numa temperatura mais baixa e conhecida (0°C é meio difícil, mas dá para fazer com gelo e água) e verificar a linearidade do sistema. Os controladores costumam ter configurações para corrigir isso se necessário. Mas a linearidade não importa tanto considerando que medimos de 90 a 100°C, mais ou menos...

 

Márcio.

[Rodrigoks]

Quanto à calibragem, comprei um sensor e leitor Xing-Ling que o único ajuste possível é ligar ou desligar, rsrs.

 

Mas a temperatura da água em ebulição consegui medir em 98,9 C. Não sei qual a altitude de POA, mas com certeza é baixa. Também medi a temperatura na minha boca, que atingiu 38,7C. Em um termômetro de mercúrio medi a temperatura oral em 37 graus.

 

Pode-se supor que a temperatura do sensor K Xing-Ling estava funcionando dentro da faixa de erro de +/- 2C, que é o que dizia na embalagem e na literatura sobre esse tipo de sensor.

[DDDiego_as]

Estou me animando a arriscar!

 

Tenho em vista esses modelos:

http://www.ebay.com/itm/Dual-PID-Digital-Celsius-Temperature-Control-Controller-Thermocouple-REX-C100-/320911025347?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item4ab7c9a4c3

A saida é a rele, e precisará de uma modificação para funcionar com SSR.

 

e este aqui..

http://www.ebay.com/itm/PID-DIGITAL-TEMPERATURE-CONTROLLER-FOR-KILN-FURNACE-OVEN-ESPRESSO-COFFEE-MACHINE-/120984131105?pt=UK_BOI_Industrial_Automation_Control_ET&hash=item1c2b375621

 

Obrigado pela ajuda de todos!

[Carneiro]

Tem na Florêncio de Abreu o N1040 da Novus que é bom e pequeno, por uns 100 reais. Já com saída DC para SSR.

 

Também tem o mesmo que o Auber Instruments vende, na www.goodluckbuy.com por 22 dólares. Mas demora a chegar. Eu testei um tempo na Oscar e ele queimou, mas não sei se foi problema dele ou se as condições de trabalho (estava testando e sem muita qualidade na instalação).

 

Márcio.

[leonardopm]

Diego,

 

Ainda não instalei o kit mas estou perto disso. Encomendei um novo termopar mais preciso que ainda não chegou, pois o tipo K que veio junto com o controlador não era lá essas coisas.

 

De todo modo, com relação ao link que você colocou, acho que é melhor você procurar um PID já com saída SSR para não ter mais esse trabalho. Praticamente todos os modelos que vi no eBay mais a fundo tinham versões para relé e SSR.

 

Abraços.

[leonardopm]

O controlador que comprei é esse aqui, mas foi com outro vendedor: http://www.ebay.com/itm/New-Dual-LED-D1S-VR-220-Digital-PID-Temperature-Controller-On-off-Control-Mode-/390439419340?pt=LH_DefaultDomain_2&hash=item5ae800bdcc

[DDDiego_as]

Tem na Florêncio de Abreu o N1040 da Novus que é bom e pequeno, por uns 100 reais. Já com saída DC para SSR.

 

Também tem o mesmo que o Auber Instruments vende, na www.goodluckbuy.com por 22 dólares. Mas demora a chegar. Eu testei um tempo na Oscar e ele queimou, mas não sei se foi problema dele ou se as condições de trabalho (estava testando e sem muita qualidade na instalação).

 

Márcio.

 

 

Obrigado pelas dicas Marcio, gostei desse site que indicou tem muitas coisas interessantes para projetos DIY!

 

Leonardo,

Pelo que pesquisei o termopar ideal seria um PT100, correto?

Realmente, quase todos os modelos que vi a venda no Ebay tem opções para SSR.

Não tenho pressa para montar, acho que vou optar por importar os componentes.

 

Abraço,

 

Diego

[Carneiro]

Na verdade o PT100 é uma termoresistência... Só confirme se o controlador aceita essa entrada.

 

Márcio.

[leonardopm]

Na verdade o PT100 é uma termoresistência... Só confirme se o controlador aceita essa entrada.

 

Márcio.

 

Sim, bem lembrado. Nem todos os controladores trabalham com todos os tipos de termopar.

 

Outra coisa que fiz foi pegar o SSR mais parrudo possível. No meu caso peguei um de 80A. A ideia é deixar capacidade sobrando para que o SSR aqueça o mínimo possível e não precise de um defletor, mas isso só vai dar para saber com certeza a depender do projeto da máquina e da instalação. No meu caso resolvi fazer um defletor porque não tenho onde prender o SSR, então esse defletor vai ser mais uma peça de fixação, só que vou fazê-la de alumínio e assim aproveitar para dissipar algum calor que eventualmente se acumule nele.

[Carneiro]

Eu acho que falei isso em outro tópico ou ainda na época do HT Fórum:

 

A capacidade do SSR é o limite de uso. Mas a questão de aquecer não tem como, tem que dissipar calor. Se encontrar a curva de eficiência x temperatura, verá que provavelmente precisa mantê-lo menos quente para trabalhar na faixa de 5A ou 8A para cima...

 

Ao mesmo tempo, já usei por um bom tempo SSR de 25A sem dissipador e a temperatura até que não subiu tanto. Não sei a longo prazo se a vida dele vai pro saco. Pior que pode acontecer é ele quebrar fechado, aí o termo-fusível, no caso das Gaggias, deve ir para o saco rapidamente. No caso de uma caldeira de vapor, a válvula de segurança deve abrir em 1,8 bar (maioria) - ao secar a caldeira a resistência esquentará demais e o termostato de segurança deve desarmar (ou não...). Se a válvula de segurança falha, aí é que entra o perigo.

 

Márcio.

[leonardopm]

Marcio,

 

Acho plausível que um SSR desses tenha algum mecanismo de segurança para que em caso de falha ele não fique fechado e sim aberto...ou estaria enganado?

 

EDITADO:

 

Mais uma vez vou concordar com você...olha o que diz esse artigo da Wikipedia (último item nas desvantagens):

 

 

Advantages over mechanical relays

Most of the relative advantages of solid state and electromechanical relays are common to all solid-state as against electromechanical devices.

• SSRs are faster than electromechanical relays; their switching time is dependent on the time needed to power the LED on and off, of the order of microseconds to milliseconds
  
• Lower (if any) minimum output current (latching current) required
  
• Increased lifetime, particularly if activated many times, as there are no moving parts to wear
  
• Output resistance remains constant regardless of amount of use
  
• Clean, bounceless operation
  
• Decreased electrical noise when switching
  
• No sparking, allowing use in explosive environments where it is critical that no spark is generated during switching
  
• Totally silent operation
  
• Inherently smaller than a mechanical relay of similar specification (if desired may have the same "casing" form factor for interchangeability).
  
• Much less sensitive to storage and operating environment factors such as mechanical shock, vibration, humidity, and external magnetic fields.
  

[edit]Disadvantages

• Voltage/current characteristic of semiconductor rather than mechanical contacts:
  
  • When closed, higher resistance (generating heat), and increased electrical noise
    
  • When open, lower resistance, and reverse leakage current (typically µA range)
    
  • Voltage/current characteristic is not linear (not purely resistive), distorting switched waveforms to some extent. An electromechanical relay has the low ohmic (linear) resistance of the associated mechanical switch when activated, and the exceedingly high resistance of the air gap and insulating materials when open.
    
  • Some types have polarity-sensitive output circuits. Electromechanical relays are not affected by polarity.
    

  [*]Possibility of spurious switching due to voltage transients (due to much faster switching than mechanical relay)

  [*]Isolated bias supply required for gate charge circuit

  [*]Higher transient reverse recovery time (Trr) due to the presence of Body diode

  [*]More likely to fail in the "closed" state compared to electromechanical relays which are more likely to fail in the "open" state^{[citation needed]}

Editado 12 Setembro 2012 por leonardopm

[Carneiro]

É, não acho que tenha, são muito baratos... Fica a cargo do projeto do sistema um elemento de segurança externo.

[Gilberto]

Marcio,

 

Quando se instala o PID o termostato é retirado ? ok ? O sensor de temperatura é colocado neste ponto, onde antes o termostato tomava a temperatura ?

[Carneiro]

Sim, o SSR receberá as duas pontas de fio que o termostato recebe, ele entra no meio da fase. O sensor pode ir no mesmo ponto ou qualquer outro bom lugar - nas Gaggias ainda acho que é melhor no parafuso que prende a caldeira ao grupo, perto da entrada de água. Eu faria um furo no parafuso e colocaria um sensor ali, com pasta térmica e um silicone por cima.

 

Márcio.

[leonardopm]

Márcio,

 

A Twin tem um furo "sobrando" no topo da caldeira. Possivelmente esse furo é usado nos demais modelos que nao tem termobloco, para uso do termostato de vapor. Como a Twin tem esse termobloco à parte o furo ficou sem utilidade.

 

Você acha um bom ponto para instalação? Se nao acha, por qual motivo seria?

 

Abraços.

[Gilberto]

Eu estava olhando o kit da Alber, e o sensor de temperatura deles vem imbutido em um parafuso que vai onde estava o termostato.

[Carneiro]

Pode ser, mas estabilizará a temperatura do alumínio, não da água. Ao longo dos minutos a água chegará mais perto dessa temperatura. E se deixar pouco, por exemplo 95°C, aí a água ficara "fria".

 

No grupo a resposta é mais lenta e mais próxima da temperatura da água, bem como do latão que é o último antes da saída da água.

 

Márcio.

[leonardopm]

Gilberto,

 

Por esse motivo eu encomendei lá na Auber o PT100 que mencionei. Não precisa de adaptações, é tirar o termostato e rosquear o sensor...

[leonardopm]

Pode ser, mas estabilizará a temperatura do alumínio, não da água. Ao longo dos minutos a água chegará mais perto dessa temperatura. E se deixar pouco, por exemplo 95°C, aí a água ficara "fria".

 

No grupo a resposta é mais lenta e mais próxima da temperatura da água, bem como do latão que é o último antes da saída da água.

 

Márcio.

 

Marcio,

 

E se fosse para escolher entre os dois furos "originais", esse que mencionei que fica no topo da caldeira e o do termostato de café que fica na base, entre as duas pernas da resistência em U, você ficaria com qual? rsrsrsrs.

 

Eu entendo seu raciocínio e concordo com ele. Mas a verdade é que quero algo que seja o menos invasivo possível e a idéia de furar um parafuso que fixa caldeira e grupo não me agrada nem um pouco...

 

Outra dúvida: se eu medir a curva de temperatura nesses dois furos, o que aquecer mais lentamente teoricamente possuirá uma resposta mais correta em relação à temperatura da água, sendo o ponto preferencial para instalar, está correto o raciocínio?

 

Abraços.

[Rodrigoks]

Márcio, você acha que esse mesmo raciocício do sensor no gurpo se aplica à caldeira da Color? Porque em tese nessas caldeiras de resistência submersa a temperatura do metal da caldeira e da água são praticamente iguais depois de alguns instantes... o que é diferente do que ocorre na Twin, em que a resistência fica no sanduíche de metal da caldeira, e não na água.

[Carneiro]

Léo, sim, é isso que penso. Pode comprar um parafuso igual, furar e se der certo trocar. Um dia eu faço isso pra vocês...

 

Da Color, não Rodrigo, acho que o sensor no inox da caldeira dá jogo bom.

 

Márcio.

[Rodrigoks]

Olha que interessante o que fizeram na Alexia. Ela tem um thermowell (não sei traduzir), que é uma reentrância em forma de cilindro pra dentro da caldeira, que permite medir a temperatura da mesma em diversos pontos, desde o topo até a parte de baixo da caldeira, passando pelo centro (foi o que entendi).

 

Daí eles colocaram o sensor do PID no meio do caminho do thermowell, e olhem os gráficos de establidade de temperatura (claro, a Alexia já tem uma ótima estabilidade de temperatura pela caldeira grande, mas ainda assim os gráficos são impressionantes de tão flat que são) no link:

 

http://www.pidkits.com/alexia/03232253-DS4.pdf

http://www.pidkits.com/alexiakit.html

[leonardopm]

Marcio, acho que vou testar vários pontos antes de decidir. Vou colocando o sensor em vários pontos com a máquina fria e marcando o tempo para atingir a temperatura.

 

A sua ideia é boa, comprar outro(s) parafuso(s) e testar neles. Poderia comprar um mais comprido, de forma que o furo central ficasse fora da faixa que sofre o esforço. Isso atenuaria algum possível risco de ruptura...

[Carneiro]

Sem risco de ruptura... São 4 parafusos M6. Acho que até um furo de 4mm fico sossegado.

 

Márcio.

[Rodrigoks]

Não é só o tempo pra atingir a temperatura que você terá que considerar, Leo. A localização do sensor influirá no tempo de estabilização entre shots e, na minha opinião, o "queixo de vidro" do problema, que é como o sensor (e o PID) responderão em termos de estabilidade intrashot.

[Carneiro]

Será fácil perceber o quão rápido a temperatura responde ao acionamento da resistência. Na verdade, usando o sensor no alumínio ou no latão exigirá nova auto-calibragem do PID, pois mudará o sistema todo.

 

Detalhe: com o sensor no parafuso eu sempre tinha a temperatura passando do ponto (overshot) e depois ela estabilizava. Se ficar ajustando os parâmetros para lentamente ele chegar no ponto aí a recuperação sempre será lenta e chata. Nessa aplicação não há problema passar alguns graus e depois descer, assim se recupera mais rápido introduzindo calor necessário para isso.

 

Márcio.

[leonardopm]

Rodrigo,

 

A questão do intrashot na Gaggia eu praticamente jogo a toalha. A caldeira é pequena demais e não me parece que o PID terá condições de corrigir a temperatura a tempo para fazer diferença na janela de 30 segundos do shot. Mas gostaria muito de estar errado...