Содержание
Опубликовано 29.12.2013 12:18:00
Автор: roman2205
Часто для реализации проектов необходимы различные детали, которые бывает трудно достать либо они выходят очень дорого в производстве. В связи, с этим решил сделать собственную печь.
Началось все с поиска информации в интернете.
Для того чтобы не перегружать сеть, решил делать в 4кВт, на разных форумах находил варианты от 2 до 4кВт.
Печь решил делать с вертикальной загрузкой, её проще изготовить, да и надобности в горизонтальной нет.
Следующим этапом следовала закупка материалов. Далее приведу список и цены (может кому-то будет интересно)
Мертель смесь огнеупорная 25кг 30грн. (до 1700˚С)
Шамотный кирпич 10шт. по 6грн . (до 1600˚С)
Краска серебрянная для покраски корпуса (кстати покрасил и внутри) (до 600˚С) 32грн.
3 фарфоровых клеммника по 2грн.
Теперь что досталось на халяву:
1 Симистор на 25Ампер приблизительная цена 10грн.
Ручки и ножки для корпуса нашел у себя в закромах.
Лист стальной приблизительно 2м * 0,7м толщина 1мм если покупать на мунктах чермета 30грн.
Газо-блоки ушло два больших по 30-50 грн. за штуку приблизительно.
Термопару подарили цена приблизительно около 20грн.
Нагревательный элемент
Пошел на базар, нашел нихромовый провод. Огласили цену 15-20грн за метр, в зависимости от диаметра. На форумах писали что понадобится около 12-14 метров, так что отдавать 240 грн за нихром не очень хотелось. Поэтому нашел в инете еще один нагревательный элемент — Фехраль. Цена у него за 1 кг 70-80грн, а это приблизательно 100-110 метров. В нем нет хрома, поэтому и дешевый. К тому же ферраль имеет преимущества перед нихромом: он более долговечный, дешевый, температура нагрева на 100˚С больше. Но есть и недостатки, если его часто разогревать свыше 1000˚С, то он становится хрупким, а так по твердости провод как стальной.
Приступаем к изготовлению
Началось все с того, что я распечатал на принтере, назовем это схемой расстановки кирпичей.
Следующим этапом вырезал канавки, туда будет укладываться нагревная спираль. В пяти кирпичах вырезал прявые канавки, а в одной под углом, чтобы можно было соединить витки спирали, и в этом же кирпиче сделал три отверстия: входное для спирали, выходное для спирали, и для термопары.
Все кирпичи расставил согласно ранее распечатанной картинке, зафиксировал проводом и начал замазывать швы густо разведенной мертелью. Вышла вот такая конструкция.
Далее нужно было собрать корпус. Из блязи вырезал полоску 55 на 170см и скрутил в цилиндр, вырезал круг, для того чтобы привырить снизу, отполировал все это дело болгаркой до блеска. Не буду присваивать себе чужих заслуги, сварили все воедино два знакомых. Хоть и у самого сварка имеется, но металл толщиной 1мм мне не под силу. А вот изготовление ножек, приварка к ним площадок, изготовление ручек из арматуры и т.д. -это уже моя работа.
Идем далее. На дно поставил два кирпича, вокруг щели облил мертелью, на те кирпичи установил свою, ранее изготовленную, конструкцию из шести кирпичей. На фоторгафии ниже можно увидеть и остатки бляхи и мертель и пеноблоки и балончик огнеупорной краски, которым красил корпус.
Просверлил в корпусе дырки, для того чтобы можно было просунуть фарфоровые трубки, по которым будут входить в печь нагревательный элемент и термопара.
Для уменьшения теплопотерь и нагрева корпуса, свободное пространство заполнил газо-блоками.
После все эти пустоты позаливал мертелью. Чуть подстыло и я начал потерать наждачкой сверху, чтоб хорошо выровнять поверхность. После этого оставил высыхать. На форумах писали, что сдедует дать минимум две недели перед тем как включать, но из-за нехватки времени я включил через 6 дней.
Спираль крутил на гвоздь 200-ку, с которого срезал шляпку. Вот это самый плохой момент, проволока твердая и этой проволоки аж 11 метров. Пробовал в рукавицах — невозможно хорошо сжать, нет сцепления с рукой. Пришлось крутить без рукавиц, на руках в двух местах сошла кожа.
В конце сварил из железной пластины коробочку (увидите на фотографиях ниже), которую прикрутил в месте где расположены выходные отверстия для фехраля и термопары. Также в не должна располагаться и вся электроника.
Термопара при 700˚С дет 26мВ – их необходимо усилить хотябы до уровня пары вольт, чтобы с ними могла работать Arduino. Вот этим я и занимался то время пока сохла печь. Нашел очень простую и интересную схему на операционном усилителе LM358.
Резисторы подбирал в Протеусе и действительно впаял, все напряжения совпадают. Калибровал с помощью дистанционного инфракрасного пирометра з температурной измерения до 500˚С, а далее прямолинейно продолжил график зависимости температур от напряжения.
Первые для этой печки формы уже готовятся, правда открыл новый мешок гипса и он оказался каким-то не таким как предыдущий, предыдущий высыхал на глазах, а этот гипс сохнет уже несколько часов, не знаю как он справится с горячим алюминием, Тот который быстро сох,выдерживал на ура пару минут и детали получались ровные и красивые.
Пока сохли формы, включил уже третий раз на просушку печь, её необходимо потихоньку разогревать. К тому моменту я разогревал уже неделю, включал каждую неделю. Первый день выставил на 400˚С и держал 15мин. Через дла дня 600˚С и держал 20мин. Следом 800˚С и держал 20мин. P.S. Более 1000˚С думаю не буду включать, по крайней мере пока что потребности нет.
Принцип работы программы следующий — считываются данные с двух аналоговых входов. Первый это усиленный микросхемой LM358 сигнал от термопары, а второй это с переменного резистора который находится снизу железной коробочки (спереди е делал, чтобы случайно не зацепить ногой, при передвижении, либо падении каких-либо деталей и тем самым обламать резитор).
Так вот, пока от усиленного сигнала не придет значение, которое выставлено резистором, Ардуино ничего делать не будет.
Если усиленный сигнал выше чем выставлены, то Arduino запирает транзистор, который в свою очередь выключает симистор, а тот размыкает цепь нагревательного елемента. После выключения нагревного элемента, Ардуина на 60 секунд не входит в цикл сравнения температур, а просто выводит показания термопары, Сделал это для того чтобы не клацало каждую секунду сисимтором и не мерцала сеть.
Температуры выводит ± градусов наверное 20. Потому что измерял, писал таблицу сообветсявия и думал прописывать эту таблицу в коде, но потом увидел что зависимость прямолинейная и высчитал на сколько необходимо умножить считанное число чтобы получить температуру, Так вот, для моей термопары это 1.729. Проверку пирометром пека прошла.
пример программного кода:
#include LiquidCrystal .h>
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7); //мой LCD инициализируется так
int Temp=0; //здесь будет сохраняться температура от термопары
int Res=0; //тут будет сохраняться температура задавемая резистором
int sumistor = 7;
void setup () <
lcd. createChar (1, f1); //Создаем символ градуса
pinMode (sumistor, OUTPUT ); >
void loop () <
Temp = analogRead (0);
Res = analogRead (1);
lcd. setCursor (0,0);
lcd. print ( "Temp:" +(Temp*1,739));
lcd. write (1); //выводим символ градуса
lcd. setCursor (0,1);
lcd. print ( "Res :" +(Res*1,465));
lcd. write (1); //выводим символ градуса
if (Time3 // Ардуина 60 секунд не входит в цикл сравнения, а просто выводит значение с термопары
if ((Res*1,465) //Если усиленный значение сигнала от термопары больше чем выставленный резистором, то Ардуино размыкает цепь нагревательного элемента
digitalWrite (sumistor, LOW );
if ((Res*1,465) > (Temp*1,739) )
digitalWrite (sumistor, HIGH );
В планах доделать код, чтобы когда температура доходила до выставленной, включалась какая-нибудь пищалка. Передняя крышка еще не отшлифована и не покрашена, я пока что обдумываю как герметизировать Arduino внутри корпуса, потому что печку буду оставлять в гараже на зиму, в связи с этим в раздумьях, как её там защитить
Верхнюю крышку решил не делать, я просто накрываю двумя шамотными кирпичами. Ну и еще необходимо чем-то закрыть отверстия в ножках. На фотографиях видно, туда может попасть всякий мусор, влага и ножка начнет гнить изнутри.
Вот внешний вид пары изготовленных деталей. Кнопка для ноута на заказ. На фото кнопка уже обраотанная напильником. направляюшее отверстние не отливалось, оно высверленно после отливания
И жене для дырокола ручка, пластмассовая лопнула
Еще очень хочется попробовать отливать в бентонитовую глину. Если кто-то знает где можно заказать небольшую партию (50кг), напишите в комментариях пожалуйста или сюда — http://vk.com/axex22
А как же комментарии?
В данный момент еще реализованы не все элементы нашего сообщества. Мы активно работаем над ним и в ближайшее время возможность комментирования статей будет добавлена.
Вопреки скептических комментариев все таки собрал я контроллер печи.
Состав основного устройства:
1. Микроконтроллер — Arduino ProMini на Atmega 328;
2. Преобразователь DC-DC LM2596
3. Часы реального времени RTC DS3231
4. Реле 2 канала 5v + SSR Fotek 40A
5. RF радио модуль 433 МГц (Приемник)
6. GSM модуль для управления по SMS Neowey M590E
7. Резисторы на 4.7 КОм, полярный конденсатор 1000nf, 3 тактовых кнопки
Состав вспомогательного устройства:
1. 3 датчика DS18B20
2. Ардуино на 328 Atmega
3. Rf передатчик на 433 МГц
Ну вот по заявкам зрителей добавляю схемы
Fitzing увы не работает принципиальную нарисовать пока не могу
Начало
Началась эта затея, как обычно начинается множество подобных затей – случайно зашёл в мастерскую к знакомому, а он показал новую «игрушку» – полуразобранную муфельную печь МП-2УМ (рис.1). Печь старая, «родной» блок управления отсутствует, термопары нет, но нагреватель целый и камера в хорошем состоянии. Естественно, у хозяина вопрос – а нельзя ли приделать к ней какое-нибудь самодельное управление? Пусть простое, пусть даже с небольшой точностью поддержания температуры, но чтобы печь заработала? Хм, наверное, можно… Но сначала неплохо было бы посмотреть документацию на неё, а потом уточнить техническое задание и оценить возможности его воплощения.
Итак, первое – документация есть в сети и легко находится по запросу «МП-2УМ» (также лежит в приложении к статье). Из перечня основных характеристик следует, что питание печи однофазное 220 В, потребляемая мощность примерно 2,6 кВт, верхний порог температуры – 1000°С.
Второе – нужно собрать электронный блок, который мог бы управлять питанием нагревателя с потребляемым током 12-13 А, а также мог бы показывать заданную и реальную температуры в камере. При конструировании блока управления следует не забывать, что нормального заземления в мастерской нет и неизвестно, когда будет.
Учитывая вышеперечисленные условия и имеющуюся электронную базу, решено собирать схему, измеряющую потенциал термопары и сравнивающую его с выставленным «заданным» значением. Сравнение проводить компаратором, выходной сигнал которого будет управлять реле, которое в свою очередь будет открывать и закрывать мощный симистор, через который сетевое напряжение 220 В будет поступать на нагревательный элемент. Отказ от фазоимпульсного управления симистором связан с большими токами в нагрузке и отсутствием заземления. Решили, что если при «дискретном» управлении окажется, что температура в камере колеблется в больших пределах, то тогда переделаем схему в «фазовую». Для индикации температуры можно применить стрелочный прибор. Питание схемы – обыкновенное трансформаторное, отказ от импульсного блока питания так же обусловлен отсутствием заземления.
Самым сложным было найти термопару. В нашем городишке магазины таким не торгуют, но выручили, как обычно, радиолюбители с их желанием вечно хранить в гаражах всякое радиоэлектронное барахло. Примерно через неделю после оповещения ближайших знакомых о «термопарной потребности» позвонил один из старейших радиолюбителей города и сказал, что есть какая-то, лежащая ещё с советских времён. Но её надо будет проверить – может оказаться, что она низкотемпературная хромель-копелевая. Да, конечно проверим, спасибо, ну, а для экспериментов подойдёт любая.
Небольшой «поход в сеть» на предмет просмотра того, что уже сделано другими по этой теме, показал, что в основном по такому принципу самодельщики их и конструируют –«термопара – усилитель – компаратор – силовое управление» (рис.2). Поэтому и мы не будем оригинальными – попробуем повторить уже проверенное.
Эксперименты
Сначала определимся с термопарой – она одна и она односпайная, поэтому в схеме компенсации изменения комнатной температуры не будет. Подключив к выводам термопары вольтметр и обдувая спай воздухом с разной температурой из термофена (рис.3), составляем таблицу потенциалов (рис.4) из которой видно, что напряжение растёт с градацией примерно в 5 мВ на каждые 100 градусов. Учитывая внешний вид проводников и сравнивая полученные показания с характеристиками разных спаев по таблицам, взятым из сети (рис.5), можно с большой вероятностью предположить, что применяемая термопара является хромель-алюмелевой (ТХА) и что её можно использовать длительное время при температуре 900-1000 °С.
После выяснения характеристик термопары экспериментируем со схемотехникой (рис.6). Схема проверялась без силовой части, в первых вариантах применялся операционный усилитель LM358, а в окончательный вариант был установлен LMV722. Он тоже двухканальный и тоже рассчитан на работу при однополярном питании (5 В), но, судя по описанию, имеет лучшую температурную стабильность. Хотя, очень может быть, что это была излишняя перестраховка, так как при применённой схемотехнике погрешность установки и поддержания заданной температуры и так достаточно велика.
Результаты
Окончательная схема, управления показана на рис.7. Здесь потенциал с выводов термопары T1 поступает на прямой и инверсный входа операционного усилителя ОР1.1, имеющего коэффициент усиления примерно 34 dB (50 раз). Затем усиленный сигнал проходит через фильтр низкой частоты R5C2R6C3, где 50-тигерцовая помеха ослабляется до уровня –26 dB от уровня, приходящего с термопары (эта цепь была предварительно симулирована в программе RFSim99, расчетный результат показан на рис.8). Далее отфильтрованное напряжение подаётся на инверсный вход операционного усилителя ОР1.2, выполняющего роль компаратора. Уровень порога срабатывания компаратора можно выбирать переменным резистором R12 (примерно от 0,1 В до 2,5 В). Максимальное значение зависит от схемы включения регулируемого стабилитрона VR2, на котором собран источник образцового напряжения.
Для того, чтобы компаратор не имел «дребезга» переключений при близких по уровню входных напряжениях, в него введена цепь положительной обратной связи – установлен высокоомный резистор R14. Это позволяет при каждом срабатывании компаратора смещать уровень образцового напряжения на несколько милливольт, что приводит к триггерному режиму и исключает «дребезг». Выходное напряжение компаратора через токоограничительный резистор R17 подаётся на базу транзистора VT1, управляющего работой реле К1, контакты которого открывают или закрывают симистор VS1, через который напряжение 220 В подаётся в нагреватель муфельной печи.
Блок питания электронной части выполнен на трансформаторе Tr1. Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку через фильтр низкой частоты C8L1L2C9. Переменное напряжение со вторичной обмотки выпрямляется мостом на диодах VD2…VD5 и сгладившись на конденсаторе С7 на уровне около +15 В, поступает на вход микросхемы-стабилизатора VR1, с выхода которой получаем стабилизированные +5 В для питания ОР1. Для работы реле К1 берётся нестабилизированное напряжение +15 В, избыточное напряжение «гасится» на резисторе R19.
Появление напряжения в блоке питания индицируется зелёным светодиодом HL1. Режим срабатывания реле К1, а значит и процесс нагрева печи, показывает светодиод HL2 с красным цветом свечения.
Стрелочный прибор Р1 служит для индикации температуры в камере печи при левом положении кнопочного переключателя S1 и требуемой температуры при правом положении S1.
Детали и конструкция
Детали в схеме применены как обыкновенные выводные, так и рассчитанные на поверхностный монтаж. Почти все они установлены на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита размером 100х145 мм. На ней же закреплен трансформатор питания, элементы сетевого фильтра и радиатор с симистором. На рис.9 показан вид на плату со стороны печати (файл в формате программы Sprint-Layout находится в приложении к статье, рисунок при ЛУТ надо «зеркалить»). Вариант установки платы в корпус показан на рис. 10. Здесь же видны закрепленные на передней стенке стрелочный прибор Р1, светодиоды HL1 и HL2, кнопка S1, резистор R12 и пакетный переключатель S2.
Ферритовые кольцевые сердечники для сетевого фильтра взяты из старого блока питания компьютера и затем обмотаны до заполнения проводом в изоляции. Можно использовать дроссели и другого типа, но тогда потребуется внести необходимую правку в печатную плату.
Уже перед самой установкой блока управления на печь, в разрыв одного из проводников, идущих от фильтра к трансформатору был впаян обрывной резистор. Его цель не столько защищать БП, сколько понизить добротность резонансного контура, получающегося при шунтировании первичной обмотки трансформатора конденсатором С9.
Предохранитель F1 впаян на вводе 220 В в плату (установлен вертикально).
Трансформатор питания подойдёт любой, мощностью более 3…5 Вт и с напряжением на вторичной обмотке в пределах 10…17 В. Можно и с меньшим, то тогда потребуется установка реле на более низкое рабочее напряжение срабатывания (например, пятивольтовое).
Операционный усилитель ОР1 можно заменить на LM358, транзистор VT1 на близкий по параметрам, имеющий статический коэффициент передачи тока более 50 и рабочий ток коллектора более 50…100 мА (КТ3102, КТ3117). На печатной плате разведено место и для установки транзистора в smd исполнении (ВС817, ВС846, ВС847).
Резисторы R3 и R4 сопротивлением 50 кОм — это 4 резистора номиналом 100 кОм, по два "в параллель".
R15 и R16 припаяны к выводам светодиодов HL1, HL2.
Реле К1 – OSA-SS-212DM5. Резистор R19 набран из нескольких последовательно включенных для того, чтобы не перегревался.
Переменный резистор R12 – RK-1111N.
Кнопочный переключатель S1 – КМ1-I. Пакетный выключатель S2 – ПВ 3-16 (исполнение 1) или подобный из серии ПВ или ПП под нужное количество полюсов.
Симистор VS1 – ТС132-40-10 или другой из серий ТС122…142, подходящий по току и напряжению. Элементы R20, R21, R22 и C10 распаяны навесным монтажом на выводах симистора. Радиатор взят из старого компьютерного блока питания.
В качестве стрелочного электроизмерительного прибора Р1 подойдёт любой подходящего размера и с чувствительностью до 1 мА.
Проводники, идущие от термопары к блоку управления сделаны максимально короткими и выполнены в виде симметричной четырёхпроводной линии (как описано здесь ).
Силовой вводной кабель имеет сечение жил около 1,5 кв.мм.
Наладка и настройка
Отлаживать схему лучше поэтапно. Т.е. запаять элементы выпрямителя со стабилизаторами напряжения – проверить напряжения. Спаять электронную часть, подключить термопару – проверить пороги срабатывания реле (на этом этапе понадобится или какой-то нагревательный элемент, подключенный к внешнему дополнительному блоку питания (рис.11), или хотя бы свеча или зажигалка). Затем распаять всю силовую часть и, подключив нагрузку (например, электрическую лампочку (рис.12 и рис.13)) убедиться, что блок управления поддерживает выставленную температуру, включая и выключая лампочку.
Настройка может понадобиться только в усилительной части – здесь главное, чтобы напряжение на выходе ОР1.1 при максимальном нагреве термопары не превышало уровня 2,5 В. Поэтому если выходное напряжение велико – то его следует понизить изменением коэффициента усиления каскада (уменьшив сопротивление резисторов R3 и R4). Если же используется термопара с малым выходным значением ЭДС и напряжение на выходе ОР1.1 получается небольшим – то в этом случае нужно увеличить коэффициент усиления каскада.
Номинал подстроечного резистора R7 зависит от чувствительности применяемого прибора Р1.
Можно собрать вариант блока управления без индикации напряжения и, соответственно, без режима предварительной установки нужного температурного порога – т.е. удалить из схемы S1, Р1 и R7 и тогда для выбора температуры следует сделать риску на ручке резистора R12 и на корпусе блока нарисовать шкалу с температурными отметками.
Провести калибровку шкалы несложно – на нижних пределах это можно сделать с помощью термофена паяльника (но нужно как можно больше прогревать термопару, чтобы её длинные и относительно холодные выводы не остужали место термоспая). А более высокие температуры можно определить по плавлению разных металлов в камере печи (рис.14) – процесс это относительно долгий, так как требуется изменять установки малым шагом и давать печи достаточное время для прогрева.
Фото, показанное на рис. 15, сделано при первых включениях в мастерской. Температурная калибровка ещё не была сделана, поэтому шкала прибор чистая – в дальнейшем на ней появится множество разноцветных меток, нанесённых маркером прямо на стекло.
Через некоторое время владелец печи позвонил и пожаловался на то, что перестал загораться красный светодиод. При проверке оказалось, что он вышел из строя. Скорее всего, это произошло из-за того, что при последнем включении проверялись возможности печи и камера, со слов владельца, нагревалась до белого цвета. Светодиод заменили, блок управления переносить не стали – во-первых, может быть, дело было и не в перегреве блока управления, а во-вторых, больше таких экстремальных режимов не будет, так как нужды в таких температурах нет.
Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, лето 2017
