TC-Modus Funktionsprinzip

TC, TemperaturkontrolleIn diesem Beitrag erkläre ich wie das Dampfen mit Temperaturkontrolle (TC) auf technischer Ebene funktioniert, wie sich Basiswiderstand & TCR auswirken, und warum bei vielen Akkuträgern der Verdampfer kalt aufgeschraubt werden muss.


Inhalt

Falls bei den Begriffen im Beitrag Fragezeichen über'm Haupthaar aufplöppen: Abkürzungen & Begriffe

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Temperatur & Widerstand

Man kann Temperatur nie direkt messen – es geschieht immer über einen Umweg. Das analoge Fieberthermometer bedient sich des Tricks das die Ausdehnung der Flüssigkeit unter Wärmeeinfluss einen bestimmten Faktor hat, so dass mit einem passenden Röhrchen die Flüssigkeit so steigt das die richtige Temperatur dabei abzulesen ist.

So ähnlich funktioniert es auch bei TC, aber natürlich viel schneller, und auf elektrischem Weg. Es gibt verschiedene Verfahren, doch bei einem Verdampfer bietet sich das Widerstand-basierte Verfahren an, womit der Heizdraht / die Wicklung gleich selber zum Temperaturfühler wird.

Widerstand-basiert“ bedeutet das der Akkuträger die Eigenschaft einiger Metalllegierungen ausnutzt, die ihren elektrischen Widerstand (Ohm) verändern, wenn sich ihre Temperatur verändert.

Ein Wicklungsdraht im Verdampfer könnte beispielsweise bei 20°C einen Widerstand von 1 Ohm haben, und bei 200°C einen Widerstand von 1,5 Ohm erreichen. Tolle Sache, denn nun kann der Akkuträger eine elektrische Größe messen, die etwas mit der Temperatur des Drahtes zu tun hat! 🙂

Damit kann der Akkuträger nun wiederum die Watt-Leistung so steuern das ein bestimmter Ziel-Widerstand (also Temperatur) während des Zugs gehalten wird. Liegt der Wicklungswiderstand über dem Ziel-Widerstand, so verringert der Akkuträger die Watt-Leistung, und er erhöht die Leistung, wenn der Widerstand unter dem Ziel-Widerstand liegt. Blitzschnell, viele male in der Sekunde. Für eine TC-Regelung ist es ein ständiger Tanz um den Ziel-Widerstand herum, um möglichst nah bei ihm zu bleiben, und somit möglichst exakt die gewünschte Temperatur einzuhalten.

TCR

Es wäre nicht schlecht wenn der Akkuträger nun noch wüßte welcher Widerstand welcher Temperatur entspricht, damit die Temperaturanzeige im Display korrekt angezeigt werden kann.

Weil sich jedes Metall bei Erwärmung anders verhält, muss man irgendwie beschreiben WIE es sich konkret verhält, damit der Akkuträger weiß was Sache ist, und eine konkrete Temperatur errechnen / anzeigen kann.

Die Beziehung von Widerstand & Temperatur wird mit dem „TCR“-Wert ausgedrückt. Mit dem TCR-Wert kann der Akkuträger einen linearen Anstieg des Widerstands in Bezug zum Anstieg der Temperatur berechnen.

Randnotiz: Metalle ändern ihren Widerstand nicht linear zur Erwärmung, sondern in einem mehr oder minder ungleichmäßigen Kurvenverlauf. Ein Akkuträger der mit einem fixen TCR-Wert arbeitet wird daher immer mehr oder minder neben der tatsächlichen Temperatur liegen, was in der Praxis aber überhaupt kein Problem darstellt, da wir keine sterbenskranken Fieberpatienten messen wollen, sondern nur reproduzierbare Dampf-Ergebnisse von Zug zu Zug benötigen. Wer es trotzdem genauer haben möchte nimmt einen Akkuträger mit DNA-Chip. Die arbeiten nicht mit einem einzelnen TCR-Wert, sondern mit TR-Kurven, also quasi Tabellen, mit mehreren Temperatur-Widerstand-Bezugspunkten.

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Kennt man also den TCR-Wert eines Wicklungsdrahtes (Drahtsorten-Überblick: TCR), so kann man diesen Wert im Akkuträger eingeben, und bekommt damit eine halbwegs genaue Temperatureinstellung. Denn mit Hilfe des TCR-Wertes kann der Akkuträger ermitteln um wieviel der Wicklungswiderstand pro 1°C steigen wird.

Formel:

TCR * Temperaturerhöhung = Widerstandserhöhung

Beispiel, die Temperatur soll um 200°C steigen – um wieviel wird der Widerstand steigen?:

0.00105 TCR * 200 °C = 0,21 Ohm Widerstandserhöhung

Diese Rechnung ist noch unvollständig, weil man noch den konkreten Widerstand den die Wicklung mitbringt einbeziehen muss:

Wicklungswiderstand * TCR * Temperaturerhöhung = Widerstandserhöhung

Beispiel, die Wicklung hat 0,5 Ohm, nun rattert der Rechenschieber im Akkuträger wie folgt:

0.5 * 0.00105 * 200 = 0,11 Ohm Widerstandserhöhung

Zu der nun bekannten Widerstandserhöhung braucht der Akkuträger nur noch den Wicklungswiderstand von 0,5 Ohm zu addieren, und dann weiß er wie hoch der finale Zielwiderstand sein muss, damit die Wicklung eine Temperaturerhöhung von 200°C erreicht. Wird ausgeschrieben lang, ich schreib’s mal untereinander:

Wicklungswiderstand
* TCR
* Temperaturerhöhung
+ Wicklungswiderstand
= Zielwiderstand

In unserem Beispiel:

0.5 * 0.00105 * 200 + 0,5 = 0,61 Ohm Zielwiderstand

Die Rechnung ist schon fast richtig, aber eines fehlt noch:

Basiswiderstand & Temperatur

Schraubt man den Verdampfer auf den Akkuträger misst er den Wicklungswiderstand, und speichert diesen Referenzpunkt als sogenannten Basiswiderstand ab.

Wir bleiben bei dem Beispiel der obigen Wicklung mit 0,5 Ohm, die 200°C Temperatur erreichen soll.

„Tolle Info“, denkt sich der Akkuträger, wenn er mit einem TCR-Wert gefüttert wird. Ihm fehlt aber noch etwas entscheidendes – ein realer Temperatur-Ausgangspunkt. Denn bislang geht obige Rechnung von 0°C „Starttemperatur“ aus. Die 0,11 Ohm Widerstandserhöhung repräsentieren „von 0°C auf 200°C aufheizen“. In der Regel will man aber nicht von 0°C auf 200°C heizen, weil man sich in einer Umgebung befindet die wärmer als 0°C ist, beispielsweise am Strand von Hawaii. 😉

Wenn der Akkuträger also 0,5 Ohm als Basiswiderstand für die Wicklung misst, und dabei davon ausginge das die 0,5 Ohm für 0°C gelten, dann würde die TCR-Rechnung nicht aufgehen, denn eine Wicklung die bei 0°C Temperatur einen Widerstand von 0,5 Ohm hat, besitzt bei Raumtemperatur einen höheren Widerstand…

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Damit also die TCR-Rechnung am Ende tatsächlich stimmt, muss nicht nur der Widerstand der Wicklung gemessen werden, sondern auch die aktuelle Temperatur der Wicklung bekannt sein. Henne-Ei-Problem! Da die Wicklung selbst der Temperaturfühler ist kann sie ohne einen vorhandenen Bezugspunkt keine absolute Temperaturmessung ihrer selbst machen. Sie ist quasi völlig ungeeicht.
Daher 
geht man behelfsmäßig von 20°C Raumtemperatur aus, also das die Messung des Basiswiderstands bei 20°C stattfindet.

Der Akkuträger weiß nun also welchen Widerstand die Wicklung bei 20°C hat – in unserem Beispiel sind es 0,5 Ohm. Und damit die Temperatur im Display korrekt ist wird die Raumtemperatur in der TCR-Rechnung davon abgezogen.

Formel:

Gemessener Basiswiderstand
* TCR
* (Eingestellte Temperatur - Raumtemperatur)
= Benötigte Widerstandserhöhung

Beispiel:

0.5 * 0.00105 * (200 - 20) = 0,095 Ohm Widerstandserhöhung

Finale Formel, damit er weiß auf welchen Zielwiderstand er konkret hinregeln muss:

Gemessener Basiswiderstand
* TCR 
* (Eingestellte Temperatur - Raumtemperatur)
+ Gemessener Basiswiderstand 
= Zielwiderstand

Beispiel:

0.5 * 0.00105 * (200 - 20) + 0.5 = 0,595 Ohm Zielwiderstand

Ohne Berücksichtigung der Raumtemperatur hatte der Akkuträger einen Zielwiderstand von 0,61 ermittelt, und hätte damit eine höhere Temperatur erzeugt als im Display eingestellt wurde.

Es kann einem dräuen das durch die ungenaue Definition „Raumtemperatur“ die Temperatur im Verdampfer nie so ganz genau der im Akkuträger eingestellten entsprechen wird, weil man selten genau 20°C Raumtemperatur hat. Zudem könnten asiatische Hersteller unter „Raumtemperatur“ etwas anderes verstehen, zB 30°C, bei Herstellern aus Dubai 45°C, und bei russischen Modellen dürften es wohl -10°C sein. 😉 

Schlaue Akkuträger nehmen einen zweiten Temperatursensor zu Hilfe, der in der Regel in der Elektronik sowieso vorhanden ist, um diese vor Überhitzung zu schützen. Wenn dann mindestens 10 Minuten (oder länger, je nach Modell) nicht gefeuert wurde, geht der Akkuträger davon aus das die gesamte Dampfe soweit abgekühlt ist das Board-Elektronik und Wicklung die gleiche Temperatur haben müssten – Raumtemperatur. Dann wird der Basiswiderstand des Verdampfers noch mal gemessen, und die aktuelle Temperatur dazu in Bezug gesetzt, womit die Präzision der angezeigten Temperatur deutlich steigen kann.
In meinen Tests von Akkuträgern und All-In-One Geräten teste ich ob das Gerät so schlau ist, sofern es über TC oder DHP verfügt.

Nur coole Verdampfer, bitte

Wir wissen nun also das der Akkuträger den gemessenen Basiswiderstand in Bezug zu einer Temperatur setzt, der Raumtemperatur.

Aus diesem Grund muss ein Akkuträger erwarten dürfen das ihm der Anwender einen wirklich coolen Verdampfer aufs Haupt schraubt. 😉 Ist der Verdampfer (die Wicklung) hingegen nicht auf Raumtemperatur abgekühlt, dann kann die TCR-Rechnung nicht aufgehen, und somit wird auch die eingestellte Temperatur im Display nicht stimmen.

Beispiel:

Nehmen wir an der Verdampfer ist noch warm, und unsere 0,5 Ohm Beispielwicklung hat beim Einmessen des Basiswiderstand noch 80°C Temperatur, liegt also 60°C über der Raumtemperatur. Dann ist der Wicklungswiderstand:

0.5*0.00105*(80-20) + 0.5= 0,532 Ohm

Der Akkuträger misst nun die „80°C warmen 0,532 Ohm“ fälschlicherweise als „20°C Basiswiderstand“ ein, und bekommt zwangsläufig ein falsches Ergebnis:

0.532 * 0.00105 * (200 - 20) + 0.532 = 0,633 Ohm Zielwiderstand

Die Regelung wird somit nicht auf die korrekten 0,595 Ohm hinregeln, sondern um (0.633 – 0.595) = 0.038 Ohm zu hoch. Und damit wird logischerweise auch die Temperatur höher sein als man sie eingestellt hat, um 72,5°C höher:

(-0.5 + 0.632548) / (0.5 * 0.00105) + 20 = 272,5°C Wicklungstemperatur

Die Wicklung überhitzt, und das wird nicht mehr schmecken.

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Mal weniger drastisch, nehmen wir an der Verdampfer ist fast ganz abgekühlt. Bei 30°C Wicklungstemperatur, also nur 10°C über Raumtemperatur, wird der Basiswiderstand eingemessen:

Der Wicklungswiderstand bei 30°C ist:

0.5*0.00105*(30-20)+0.5 = 0.50525 Ω

Wieder mit 200°C dampfen wollen, Zielwiderstand:

0.50525*0.00105*(200 - 20)+0.50525 = 0.601 Ω

Dampft real mit:

(-0.5+0.601)/(0.5*0.00105)+20 = 212°C

12°C drüber, das merkt man im Geschmack meist schon sehr deutlich.

Fazit

Ich hoffe der Beitrag war nicht zu trocken und konnte die Zusammenhänge wie TC funktioniert deutlich(er) machen.

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Dilbert

Sorry Christian. Ich muß etwas berichtigen.

TCR ist eine Materialkonstante normiert auf 20 ° C mit der Benennung 1/K(elvin)
Ein Temperaturunterschied wird in Kelvin benannt.

Folglich ergibt TCR mal Temperaturunterschied = NICHTS! (Kelvin kürzt sich heraus.)

Das, was du willst und meinst ist R20 mal TCR. (R20 = Widerstand bei 20°C)
In der Bennung folgt daraus Ohm durch Kelvin, also Widerstandsänderung pro Grad.

R20 * TCR ist eine interessante Größe. Je höher, desto besser, desto einfacher hat es der AT.
Es ist eine wicklungs-spezifische Konstante.

Eine Berichtigung macht diesen Komentar überflüssig!