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温度コントローラ3は4CH+4CHで行くことにした [温度コントローラ]

(2013.02.14)
温度コントローラ3(熱電対 最大15CH!)の設計を進めています。熱電対のコネクタを並べるのも、回路図上なら大したことではありません。しかし、基板上にコネクタを15CH分配置するとなると大問題です。

例えば10cm×10cmの基板に熱電対 15CH分のコネクタとUSBコネクタを配置するとこんな感じです。
2013_0214_3.png熱電対 15CH+USB

設計上は最大15CHまで対応可能であるとしても、(15CH使うことが本当にあるのか疑わしい訳で)使いもしない機能のために使い勝手が悪くなるのは願い下げです。”実現不可能”では無いとしても、この案は止めた方が良さそうです。

つらつら考えて、温度計測は4CHあれば”(まぁ)大丈夫なのではないか”、また電圧計測も4CHくらいあると”色々使えて嬉しい”と思いました。

それを実現したレイアウト案がこれです。
2013_0214_2.png熱電対4CH+電圧計測4CH

10cm×10cmの基板に5cm×8cmの基板を二面付けしています。この二枚の基板で熱電対の電極を挟みます。温度コントローラ2ではプラ板を加工して熱電対の電極を固定したのですが、小さなプラ板の加工が思いのほか面倒だったので、工夫してみました。また、3Pの端子台(4個)は電圧計測に使います。アナログ計測回路とデジタル制御回路が綺麗に分離されているのも良い感じです。

うん、これで行こう!

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温度コントローラ3は15チャネル!? [温度コントローラ]

(2013.02.12)
実際に温度コントローラを使ってみると、温度計測チャネルがもっと欲しい(温度槽の制御とは別に温度計測したい)と思うようになりました。そこで、温度コントローラ2の後継機を検討してみることにしました。

最初に、現状の設計で多CH化の制約になっているA/Dを選び直します。24ビットA/Dで、基準電源が外部供給で、アナログ・マルチプレクサ内蔵タイプという条件で絞り込み、<これ>を選びました。

最初は差動8CH入力のつもりだったのですが、COM端子にVref/2を印加して、熱電対の片側をCOM端子に接続すれば、シングルエンドで-Vref/2~+Vref/2のバイポーラ計測が出来る(多分そうだと思う)ことに気付きました。これならシングルエンドでプラマイの温度計測が可能です。

1CHは、零接点補正用IC温度センサの計測に割り当てるので、使用できる熱電対は最大15CHです。(すごい!)しかも、この構成ならプログラム変更だけで、簡単に多CHのデジタル・マルチメータ(データ・ロカー)になることが判りました。製品の温度試験にピッタリ!(<==やらないけど)

う~ん、妄想が膨らむ・・・

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終わった筈の温度コントローラに改善テーマが見つかった [温度コントローラ]

(2012.12.31)
ポリカーボネートの熱加工に使う計画だった温度槽ですが、最初の仕事はロースト・ビーフでした。表面にさっと焼き目を付け、70℃をキープして(ここが温度槽の出番)中までじっくり火を通しました。出来上がりがイマイチだったのは、温度槽のせいではありません。来年一年かけて、この温度槽を使った調理の技を身に付けるつもりです。

で、実際に使って感じたのは”温度コントローラの制御インターバルがとても長い”ということです。制御遅延時間ごとにDuty値を制御する仕様なので、制御遅延が30分もあるといつまで経ってもDutyが変わりません。本当に動いているのか心配になります。

『これを何とかする』というのが、温度コントローラの新たな課題です。昨日『温度コントローラ&温度槽の開発が終わった』と書きましたが撤回します。回路変更が必要な開発(リモート表示etc.)とは別に、ソフト改修で対応可能な改善テーマは、来年も引き続き行います。

年明けは、使わないUSB経由の制御機能をやめてプログラム・メモリを捻出する所から始めます。

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温度コントローラ&温度槽の開発が終わった [温度コントローラ]

(2012.12.30)
温度コントローラのバグを修正して、制御Delayと初期Dutyを自動設定する機能の試験を行いました。ハンダこてを使ったテストでは上手く行きましたが、果たして温度槽でも上手くいくかどうか?

先ず最初の制御Delayの自動計測で躓きました。遅延時間の計測リミット(15分)を超えてしまったのです。制御温度の計測ポイントを、以前より少し離れた場所に変更した影響が出たようです。計測リミットを30分まで伸ばすと、1890秒の制御Delayを計測して初期Dutyの自動設定に進みました。ところが、いつまで待っても初期Dutyが変化しません。調べてみると、想定外に大きな制御Delayが影響して、途中の計算でint型の変数がオーバー・フローを起こしていました。変数をlong型に替えて再実験すると・・・

ようやく、制御Delayと初期Dutyの自動設定が終って、自動温度制御を開始しました。やや大きな(1~2℃くらい)温度変動を示していますが、大きな制御遅延を乗り越えて何とか制御しています。
(パチパチパチ~)

細かな不具合はありますが、温度コントローラの開発を年内に済ますことが出来ました。温度槽内の温度差は相変わらず残っていますが、送風機構は金属製のファンが手に入った時に考えることにして、当面は”使いこなし”で対応するつもりです。

年内に片付ける予定だったもう一つの課題(ステッピング・モーター・コントローラの多CH化テスト)は部品(AMPのコネクタ)が入手出来なかったので、持ち越しです。年明けの情報交換会までには、何とか間に合わせたいなぁ~

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温度コントローラのバグと開発テーマが見つかった [温度コントローラ]

(2012.12.22)
先日組み立てた温度槽を使った制御試験で、温度コントローラのバグが見つかりました。最後に組み込んだbase_dutyの制御に失敗していて、正しい温度制御ができなくなっていたのです。

Duty制御の分解能を0.1%(固定)で設計したのですが、小さなDuty値で温度制御しようとすると分解能不足で温度が変動してしまう(例えば5.0%で温度上昇、4.9%で温度下降を繰り返す)ことが判りました。その対策としてDuty制御のプリスケーラのような機能を組み込み、制御分解能を向上させることにしました。そのパラメータがbase_dutyなのですが、Duty制御の上限値もその影響を受けて元の状態に戻れなくなっていたことが判りました。

最後の方に”ちょろちょろ”と組み込んだ機能だったので十分試験できていませんでした。同じように初期Dutyの自動設定機能と制御遅延時間の自動設定機能も、組み込んだだけで試験していなかったことを思い出しました。暫くは温度槽の制御試験を兼ねて、温度コントローラの開発に戻ります。

今回温度槽の制御試験を行っていて”LCD表示を覗きに行くのはとても面倒だ”と感じました。また、”温度槽の周囲にパソコンを持ち込んでログを採る”のもちょっと問題です。これは、机上で行った温度制御実験では気付かなかったことで、温度コントローラの新たな開発テーマです。

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温度槽を組み立ててみた [温度コントローラ]

(2012.12.19)
年内に済ませておきたい課題の一つであった”温度槽の組み立て”に取り組みました。

先ずは、JW_CADで描いた組立図を見直して部品図を描きました。いつもは、こんな丁寧に設計しないのですが、(少しだけ)JW_CADに慣れたので組立図から部品図を起こすのも苦になりません。と言うか、”サクサク進む作業が楽しい”というのが本音です。

例えば石膏ボードの板取図はこんな感じです
2012_1219_2.png石膏ボードの板取図

しかし、素人細工(設計)の悲しさで、図面通りに加工出来ず、出来ても実際に組み付けるとあちこちに齟齬が発生します。その大部分はダンボール箱の外寸法と内寸法の差が正しく見積もられていないこと(例えばダンボールが1箇所だけ二重になっているのを見落としたとか)によるものです。

けれども、現物合わせの組み立てには慣れている(<==威張れる話ではないが)ので、何事も無かったかのように修正を加えて、組み上げました。

組み立てた温度槽はこんな感じです
2012_1219.png温度槽を組み立てた

上面に石膏ボードを一枚乗せて、温度槽は組み立て完了です。”早速、実験!”と思ったのですが、熱電対のケーブルが短くて温度コントローラが上手く配置できません。温度槽のことばかり考えていて、運用環境の検討が疎かになっていました。

それも何とかクリアして、通電開始!

1時間ほどで、天板温度は140℃で安定し、そのとき槽内上部の温度は113.2℃でした。それからさらに1時間経過(Duty33.7%で140℃をキープ)しましたが、槽内上部の温度がまだ115.9℃であることを確認して、凡そ2時間ほどで通電試験を終了しました。

終了後に温度槽内の様子を調べましたが、特に異常は見つからず最初と全く変化ありません。温度槽は組み立て完了しましたが、試運転で新たな課題が明らかになりました。

この温度差をどうするか?
送風せずに槽内に対流を起こすことが出来るか?
170℃でプリヒートして内壁温度を140℃に上げれば済むのか?

実運用への道のりはまだ先が長いようです。

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温度コントローラ2のゲイン補正機能を復活させた [温度コントローラ]

(2012.10.08)
当初、温度コントローラ2にはMCP3422のゲイン・エラーを手動校正する機能が組み込まれていました。”表示温度を見ながらSW操作でゲインを増減して、正しい温度に合わせる”というものでしたが、”正確に100.0℃の温度基準”なんていうものを用意できるとは思えなくなって、この機能は外しました。以来、MCP3422のゲイン・エラー(MAX 0.35%)は温度コントローラ2で補正できない誤差とみなして来ました。

ところが、最近になって温度コントローラ2のゲイン・エラーがMCP3422のゲイン・エラーより大きくなる可能性に気付き、あらためてゲイン補正機能について考え直しました。

”正確に100.0℃の温度基準”は無理でも、”10.00mV(あるいは20.00mV)の正確な基準電源”なら用意できると思えたので、温度コントローラ2のゲイン補正機能を復活させました。

今回のゲイン補正モードは、”0.1μV単位で表示された計測電圧を見ながら、SW操作でゲインを増減してTCコネクタに接続した基準電源電圧に合わせる”という仕組みです。

この機能を組み込んだことによって、温度コントローラは”0.1μV分解能のデジタル電圧計”として使えるようになりました。(パチパチパチ~)
計測精度は低いとしても、アナログ回路の調整には使えそうです。

早速、TCコネクタをショートして、MCP3422のオフセットを計測してみると・・・

-3.9μV

しばらく眺めていましたが、全く変化しません。計測値4個の平均値が0xffffd(-2LSB)で変わらないということになります。ショート・バーを熱電対に替えれば計測値はパラパラと変化するので、MCP3422に0Vを入力したときの計測結果が-3.9μVということなのだ思います。この後、MCP3422が0V付近でどんな計測結果を示すのか楽しみになってきました。

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アナデバのICをamazonで見つけた [温度コントローラ]

(2012.09.27)
ANALOG DEVICES社のサイトで基準電源を探しました。AD780というデバイスがなかなか使い易そうです。

単価も$6.77と手ごろですが、1ロット100個でちょっと手が出せません。このデバイスを小口売りしている業者を探していて、amazonでこんなページがヒットしました。
AD780.pngamazonで売っていた

取り扱いはエー・ディ・エム株式会社マーケット・プレイスに出店?)ということです。商品見本が全て同じ写真という辺りはかなり手抜きという印象でしたが、利用者の評価は悪くないようです。なにより、Digi-Keyより安いのが魅力です。

ただ、基準電源を手に入れたとしても・・・
高精度のデジボルを使わず、どうすれば正確に基準電源の電圧を1/100あるいは1/200に出来るか?温度コントローラ2のゲイン較正に必要な(例えば)20.00mVをどうやって作ったら良いのか、その方法が見つかりません。

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ゲイン補正の必要性に気付いた [温度コントローラ]

(2012.09.26)
これまで、冷接点補正を行えば、温度コントローラ2の計測誤差はMCP3422のゲイン・エラー(MAX 0.35%)だけで許容範囲内に納まると考えていました。ところが、局所的にもっと大きなケイン・エラーを生じる可能性に気付きました。

自動較正機能を備えたMCP3422の最も大きな誤差要因はINL(Integral non linearity)でスペックにはMAX 35ppm/FSRと記されています。

下はリニア・テクノロジー社の技術資料より抜粋したAD変換誤差の説明図です。
詳しくはこちら

INL2.pngINL誤差

こっちはオマケ。
DNL.pngDNL誤差

MCP3422のINL誤差は温度コントローラ2の計測値換算で3.52℃になり、かなり大きな値です。しかし、温度コントローラ2はMCP3422の計測レンジの一部(例えば図のオレンジで引いた線の範囲)しか使わないので、INLはオフセット誤差と同じ扱いになって補正できると考えました。

しかし、例えば図のグリーンで引いた線が使用範囲だとすると、0.35%を超える大きなゲイン・エラーを生じることに気付きました。実際には、この説明図ほどの特性変動は無いと思いますが、MCP3422の局所的なリニアリティ変動が温度コントローラのゲイン・エラーとして現われることを見落としていました。

温度コントローラ2に最大0.35%のゲイン補正機能を設けましたが、見直さなくてはなりません。

『熱電対のコネクタ部分に基準電圧源を接続して、LCDに表示されたMCP3422の計測電圧との差が0になるように操作SWでゲインを補正する。』

こんな機能に変更しようと思うのですが・・・

これは温度コントローラ3の課題か?
いや、計測機能は(制御機能同様)温度コントローラの肝だから、放って置けない。
しかし、機能を組み込んでも(基準電源を持ってないので)ゲイン補正はできそうも無いし・・・
どうしよう!

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やっぱり制御バグは直すことにした [温度コントローラ]

(2012.09.25)
表示・操作の不備であれば温度コントローラ3の開発まで先送りしても良いのですが、温度コントローラで制御バグを放っておくことは、(やっぱり)できません。

BASE_DUTYをMANUALで設定する機能を省いてプログラム・メモリを捻出し、自動制御のコードを組み込むことにしました。表示まで変更する余地は無いので、0.1%刻みのままです。

current_duty(0..1000)を操作している所で、一旦real_duty(0..10000)を求め、その値に基づいてbase_duty(0..100)とcurrent_dutyを設定し直し、LCDにはreal_duty/10を表示します。MPLAB IDEにはソース・コード内の”current_duty”を全て拾い上げる機能があるので、修正もれの心配はありません。

修正の方針が決まったので、早速三つの関数を定義しました。
calc_real_duty():base_dutyとcurrent_dutyからreal_dutyを求める関数
set_base_and_current_duty():real_dutyからbase_dutyとcurrent_dutyを変更する関数
update_base_and_current_duty():上記二つの関数を呼び出す関数

current_dutyを変更しているコードを探し、update_base_and_current_duty()の呼び出しを追加すれば完了です。

おっと、いけない!current_dutyの表示をreal_duty/10に変更するのを忘れていました。
(ブログに作業内容を書くまで、この修正もれを見逃していた)

『これにて、一件落着~!』(かな?)

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