Вариант установки термосопротивления Pt100 на термоблок

Термосопротивление RTD Pt100 бывает в разных корпусах, но для установки на 3D принтер подходит несколько компактных вариантов. Основной и похоже, самый популярный - это цилиндр длиной 20 мм и диаметром 3 мм. Под этот вариант делаются стандартные термоблоки с отверстием под датчик температуры диаметром 3 мм. Предлагаю ещё один вариант установки термосопротивления. 

Моя история…

Решил я как-то поставить датчик Pt100 вместо NTC3950, немного поиска и понял, что по конструктиву они не совместимы. Про электронику под Pt100 уже знал, что напрямую к АЦП микроконтроллера не подключить, но для этого тоже есть решение и об этом напишу в другой статье. (Есть два основных варианта - с аналоговым усилителем или с АЦП MAX31865. Третий вариант - применить АЦП HX711, о чём и напишу позже)

Нашёл совместимый конструктив - в виде цилиндра 20 мм х 3 мм. Под этот вариант есть стандартные термоблоки - что и было приобретено. Датчики Pt100 в таком корпусе оказались несколько дороже, чем ожидалось и с их покупкой решил подождать. Нашёл относительно дешёвые датчики в корпусе 40 мм х 4 мм - думал рассверлить отверстие в термоблоке до 4 мм и можно пробовать. Заказал датчики с маркировкой “WZP-Pt100”. Пока искал датчики в цилиндрическом корпусе, попадались датчики на керамической подложке размером примерно 3 мм х 2 мм, но у них не было проводов, только короткие выводы. Короче, их тоже заказал, т.к. цена у них примерно одинаковая по сравнению с WZP-Pt100. 

Первый “блин” подгорел 

Получил датчики в корпусе 40 мм х 4 мм. Подключил их и стал проверять как они работают. Выяснилось, что разброс в показаниях температуры у 4-х датчиков примерно 1,5 градуса при примерно одинаковых условиях - до класса допуска “B” не дотягивают, если я правильно это понимаю. Допуск для класса “B” вычисляется по формуле: ±(0,3+0,005 |t|), где |t| - абсолютное значение температуры в градусах по Цельсию. При температуре воздуха 25 °С допуск ±0,425 °С.

Потом стал проверять на скорость реакции датчика при изменении температуры, и доигрался. Грел обычной зажигалкой, а в программе не сделал проверку, когда значения с АЦП находятся около верхней границы и дальнейшее повышение температуры уже не отслеживается. Расчётный диапазон измерений был ограничен примерно +450 °С и когда рост температуры прекратился, я подумал, что это максимальная температура пламени газовой зажигалки… Потом я ещё подумал, когда корпус датчика уже потемнел и тут я вспомнил про ограничение по температуре в схеме АЦП, но датчик уже подгорел. В этот день я заказал ещё два таких же датчика Pt100, но пришли они уже немного в другом корпусе:

Новые датчики пришли в какой-то точёной втулке и провода выходят из керамической трубки.

Сгоревший датчик был разобран:

Теперь понятно, почему у него время реакции достаточно большое - внутри “датчика” сам датчик, который ещё в трубке и ещё в чём-то, что уже сгорело...

Если кто видел, где такие датчики можно купить, которые внутри корпуса устанавливаются - поделитесь ссылкой, в китайском магазине я их не нашёл. 

Вскоре пришли мелкие датчики Pt100 на керамической подложке. 

Выбор мелкого Pt100

Как установить большой датчик в термоблок, было уже понятно, но как поставить такой маленький и не обломав ему ножки - вот в чём вопрос!

Когда их заказывал, по картинке их размер мне был понятен - примерно 3 на 2 мм. Когда я их увидел в пакетике, они казались совсем мелкими и тут уже пришлось подумать, как их использовать. Продавец писал в описании, что эти датчики с классом допуска “A” - это уже интересно попробовать в термоблоке. Была только одна проблема - как подключить к маленьким ножкам проводки и при этом их не сломать. На самом деле, была ещё одна проблема - я не знал как его крепить к термоблоку, т.к. его нужно прижать плоскостью основания к корпусу термоблока.

Время реакции датчика на керамической подложке заявлено 0,25 секунды! Для сравнения с датчиками в цилиндре - при касании пальцем корпуса датчика в цилиндрическом корпусе, температура менялась с заметной задержкой, а при касании корпуса датчика на керамической подложке - изменения происходили практически сразу. В итоге, было принято решение, попробовать прикрутить мелкие датчики к термоблоку. Осталось выбрать способ подключения проводов к выводам. 

Учитывая, что рабочая температура термоблока 250 °С, а может и 350 °С, то пайка оловянным припоем не подходит, т.к. ножки короткие и место пайки будет находится рядом с термоблоком. В таком случае, подходит три варианта соединения провода с мелким датчиком: 

1. Сварка - это относительно несложно, если взять графитовые стержни от круглых батареек, но этот вариант я не стал пробовать
2. Обжим гильзой - не очень надёжный вариант - даже о нём и не думал
3. Пайка, только не обычным припоем (для кого-то и наоборот), а высокотемпературным - этот вариант я и проверил.

Пайка выводов

Для пайки высокотемпературным припоем понадобится сам припой (медь с фосфором), который продаётся в виде прутков. Ещё может понадобится флюс паяльный для среднеплавких припоев (так на коробочке написано), например ПВ-209. Но если паять медные проводки медным припоем, то флюс вроде не нужен, но по факту, с ним пайка была лучше и легче.

Процесс пайки относительно простой: 

1. Подготовка проводов - взял их от сгоревшего датчика и МГТФ для сравнения, зачистил концы проводов на 2-3 мм
2. Подготовка датчика для пайки - важно ограничить передачу тепла от вывода к корпусу датчика. Взял разводной ключ 4” (102 мм) и вывод датчика зажал углом губок так, чтобы датчик оказался с одной стороны губок, а вывод торчал с другой стороны
3. Газовой горелкой нагреваем край прутка (припой) и “макаем” его в флюс - достаточно, чтобы прилипло несколько крупинок флюса
4. Нагреваем край припоя до жидкого состояния и в образовавшуюся каплю макаем провод. Желательно, чтобы на кончике провода остался шарик припоя
5. Нагреваем шарик припоя на проводе, макаем его в флюс
6. Теперь, нагревая шарик припоя на проводе, подносим его к выводу датчика и пару секунд прогреваем место пайки. Как только припой растёкся по выводу датчика - убираем горелку.

Результат пайки выглядит так: 

Интересно было поведение изоляции на проводах. Изоляция на проводах, которые были на сгоревшем датчике, плавилась и капала. Изоляция на проводе МГТФ не капала, а просто оплавлялась - на фото это видно.

Установка в стандартный термоблок с отверстием под резьбу М3

Можно было просто прижать его шайбой и винтом, но думаю, что это неправильно, т.к. датчик хрупкий и при нагревании термоблока может ослабнуть прижим. Нужно было что-то пружинящее и я стал искать пружинящие контакты, скобки и т.п. Потом пришёл к выводу, что если найти пружинку и одеть её на винт - это оптимальное решение. Начал искать пружинки в китайском магазине и не мог выбрать какую надо, но решение нашлось само - сломалась авторучка и из неё вылетела пружинка, которая на пишущий стержень одевается. Для установки датчика на термоблок нужен ещё винт М3 и широкая шайба: 

Теперь осталось вкрутить винт с пружинкой и шайбой и, отжимая шайбу, подложить под неё датчик. Датчик надо защитить от замыкания выводов, например, одеть тонкую тефлоновую трубку или защитить каптоновым скотчем. 

Датчик нужно поставить так, чтобы выводы при изгибе не упирались в шайбу: 

Выводы

После пайки датчиков и измерения их сопротивления в примерно одинаковых условиях получились такие результаты: 109.6 Ом (24.65 °С), 110.0 Ом (25.68 °С) и 109.8 (25.17 °С) Ом. Можно предположить, что это уже попадает в класс допуска “B”.

Кроме крепления самого датчика, необходимо зафиксировать провода, чтобы они не двигались относительно корпуса датчика.

Пока эти датчики не использовал в работе, поэтому других выводов не будет…