Termopares y Raspberry Pi para monitoreo de máquinas IIoT

Los dispositivos DAQ pueden medir termopares con precisión en un entorno Raspberry Pi. Así es cómo. Este artículo proviene del Ebook InTech Focus de marzo de 2021: temperatura y presión.

La tecnología de punta de Internet de las cosas (IoT) y el análisis avanzado se utilizan cada vez más para la optimización de procesos y la mejora de la eficiencia de la maquinaria industrial porque permiten el mantenimiento predictivo. Los datos que se analizan para esta forma de gestión de activos a menudo incluyen mediciones de temperatura. Y la potencia informática para realizar esos análisis la proporcionan cada vez más los dispositivos IoT basados ​​en Raspberry PiRaspberry Pi es una serie de pequeñas computadoras de placa única desarrolladas en el Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi en asociación con Broadcom. El proyecto Raspberry Pi se centró originalmente en la enseñanza de informática básica en las escuelas y en los países en desarrollo, pero la creciente base de Raspberry Pi significa que las placas de computadora se están abriendo paso cada vez más en las aplicaciones de automatización industrial, particularmente como dispositivos IIoT. El uso de código abierto C/C++ y Python permite a los usuarios desarrollar aplicaciones en Linux. Aunque los termopares son una forma popular de medir la temperatura, diseñar y construir dispositivos de adquisición de datos (DAQ) que miden termopares con precisión en un entorno Raspberry Pi es un desafío. Este artículo explica las dificultades para realizar mediciones precisas de termopares, cómo lo logra el MCC 134 DAQ HAT y cómo se utiliza el MCC 134 en dispositivos IIoT para monitorear el estado de la máquina.

Un termopar es un sensor que se utiliza para medir la temperatura. Funciona convirtiendo los gradientes térmicos en diferencia de potencial eléctrico, un fenómeno conocido como efecto Seebeck. Un termopar está hecho de dos alambres con metales diferentes unidos en un extremo, creando una unión. Debido a que dos alambres metálicos diferentes crean diferentes potenciales eléctricos sobre un gradiente de temperatura, se induce un voltaje que se puede medir en el circuito. Los diferentes tipos de termopares tienen diferentes combinaciones de metal en los alambres y se usan para medir diferentes rangos de temperatura. Por ejemplo, los termopares tipo J están fabricados con hierro y constantan (aleación de cobre y níquel) y son adecuados para mediciones en el rango de –210 °C a 1200 °C, mientras que los termopares tipo T están fabricados con cobre y constantan y son adecuados para mediciones en el rango de –270 °C a 400 °C. El gradiente térmico mencionado anteriormente se conoce como la diferencia de temperatura entre las dos uniones: la medición, o unión caliente, en el punto de interés y la referencia, o unión fría, en el bloque conector del dispositivo de medición (figura 1). Tenga en cuenta que la unión caliente se refiere a la unión de medición y no a su temperatura; esta unión puede ser más caliente o más fría que la temperatura de la unión fría o de referencia. Los termopares producen un voltaje relativo al gradiente de temperatura, la diferencia entre la unión fría y la caliente. La única forma de determinar la temperatura absoluta de la unión caliente es conocer la temperatura absoluta de la unión fría. Mientras que los sistemas más antiguos se basaban en baños de hielo para implementar una referencia de unión fría conocida, los dispositivos de medición de termopares modernos usan un sensor o varios sensores para medir el bloque de terminales (unión fría) donde los termopares se conectan al dispositivo de medición.

El error de medición del termopar proviene de muchas fuentes, incluido el ruido, la linealidad y el error de compensación; el propio termopar; y medición de la temperatura de referencia o de unión fría. En los dispositivos de medición modernos de 24 bits, se utilizan ADC de alta precisión y se implementan prácticas de diseño para minimizar el ruido, la linealidad y los errores de compensación. El error del termopar no se puede evitar, pero se puede minimizar. Este error se debe a las imperfecciones de las aleaciones utilizadas, ya que varían ligeramente de un lote a otro. Ciertos termopares tienen inherentemente menos error. Los termopares tipo K y J estándar tienen un error de hasta ±2,2 °C, mientras que los termopares tipo T tienen un error de hasta ±1 °C. Los termopares más costosos (límites especiales de error [SLE]) se fabrican con alambre de grado superior y se pueden usar para reducir los errores en un factor de dos. Medir con precisión la unión fría, donde los termopares se conectan al dispositivo, puede ser un desafío . En instrumentos más costosos como los productos DT MEASURpoint, se emplea una placa de metal isotérmica para mantener la unión fría consistente y fácil de medir con buena precisión. En dispositivos de menor costo, los bloques de metal isotérmicos tienen un costo prohibitivo y sin un bloque isotérmico no es posible. para medir la temperatura en el punto exacto de contacto entre el termopar y el conector de cobre. Este hecho hace que la medición de la temperatura de la unión fría sea vulnerable a errores temporales provocados por cambios rápidos de temperatura o condiciones de energía cerca de la unión fría.

Para comprender mejor los desafíos de diseño del MCC 134, podemos compararlo con el diseño del popular E-TC de MCC, un dispositivo de medición de termopar de alta precisión conectado a Ethernet. La temperatura de unión fría del E-TC se mide con el sensor de temperatura IC ADT7310 de Analog Devices. El diseño del sensor IC funciona bien en el MCC E-TC porque el entorno de medición es controlado y consistente. La carcasa exterior de plástico controla el flujo de aire y los componentes y procesadores electrónicos funcionan con una carga constante. En el entorno controlado del E-TC, el sensor IC hace un excelente trabajo al medir con precisión la temperatura de la unión fría. Sin embargo, cuando el MCC 134 se diseñó por primera vez con un sensor IC para medir la temperatura de la unión fría, la precisión era insuficiente. Debido a que el sensor IC no se pudo colocar lo suficientemente cerca del bloque del conector, los gradientes de temperatura grandes e incontrolados causados ​​por la Raspberry Pi y el entorno externo provocaron una mala repetibilidad de la medición. Por lo tanto, el MCC 134 se rediseñó con un esquema mejorado que tiene una precisión mucho mayor. y repetibilidad manteniendo el costo bajo. En lugar de usar un sensor IC y un bloque de terminales, MCC rediseñó la placa con dos bloques de terminales y tres termistores, uno colocado a cada lado y entre los bloques de terminales, como se muestra en la Figura 2. Aunque esto agregó complejidad al diseño, el Los termistores rastrearon con mayor precisión los cambios de temperatura de la unión fría, incluso durante los cambios en la carga del procesador y la temperatura ambiental. Este diseño produce excelentes resultados que son mucho menos susceptibles al entorno descontrolado de Raspberry Pi. El MCC 134 debería lograr resultados dentro de las especificaciones de máxima precisión del termopar cuando opera dentro de las condiciones ambientales documentadas. Debido a que ciertos factores aún afectan la precisión, los usuarios pueden mejorar los resultados de las mediciones al reducir los cambios rápidos en los gradientes de temperatura en el MCC 134 y seguir otras prácticas recomendadas.

El sistema de monitoreo de uso de salud de Thinaer (HUMS) recopila datos de centros de mecanizado, maquinaria CNC, fresadoras y motores y utiliza estos datos para proporcionar una solución "siempre activa" para el monitoreo, informes de utilización y mantenimiento predictivo. La plataforma IoT de Thinaer integra datos de máquinas con comentarios humanos y utiliza una combinación de MCC y hardware y software de Thinaer para capturar datos de máquinas en tiempo real como temperatura, ubicación, vibración, voltaje, presión y corriente eléctrica. Los sistemas de Thinaer usan nodos Raspberry Pi que se comunican con sensores inteligentes a través de Bluetooth Low Energy. Sin embargo, estos sensores inteligentes no tienen la temperatura de alta precisión o los datos de vibración de alta velocidad necesarios para un mejor análisis. La solución para Thinaer fue usar el HAT de medición de termopar MCC 134 (ver cuadro) para medir la temperatura (así como el HAT de medición MCC 172 IEPE para medir la vibración) y recopilar los datos necesarios para crear mediciones, análisis y estrategias precisos. Los HAT DAQ apilables también permiten escalar a Thinaer sin tener que cambiar su plataforma o realizar ningún desarrollo o ensamblaje de hardware interno. El sistema se programó utilizando las bibliotecas C y Python provistas para la adquisición continua de datos multi-HAT. El uso de la tecnología MCC ahorró a Thinaer tanto en tiempo como en trabajo. Los MCC DAQ HAT encajan fácilmente en la carcasa del sistema existente y el diseño listo para usar evitó que Thinaer tuviera que desarrollar una solución interna personalizada.

Los termopares proporcionan una forma flexible y de bajo costo para medir la temperatura, pero medir los termopares con precisión es difícil. A través de un diseño innovador y pruebas exhaustivas, MCC superó el desafío de medir termopares con precisión en el entorno no controlado de Raspberry Pi. El MCC 134 DAQ HAT brinda la capacidad de usar termopares estándar con la plataforma informática de rápido crecimiento y bajo costo.

El HAT de medición de termopar MCC 134 para Raspberry Pi brinda capacidad de medición de temperatura de alta calidad a la popular computadora de bajo costo. El dispositivo tiene cuatro entradas de termopar (TC) capaces de medir los tipos de TC más populares, incluidos J, K, R, S, T, N, E y B. Cada tipo de canal se puede seleccionar por canal. El MCC 134 tiene una resolución de 24 bits y una precisión de nivel profesional. La detección de termopares abiertos permite a los usuarios monitorear termopares rotos o desconectados. Se pueden apilar hasta ocho MCC HAT en una Raspberry Pi. Con el MCC 118 ya disponible, el HAT de medición de voltaje de ocho canales y el MCC 152 de salida de voltaje y E/S digital HAT, los usuarios pueden configurar soluciones multifunción basadas en Pi con entrada y salida analógicas y E/S digitales. Marzo de 2021 Enfoque de InTech: temperatura y presión.

Steve Radecky es ingeniero de marketing de Measurement Computing. Measurement Computing diseña y fabrica dispositivos de adquisición de datos que son fáciles de usar, fáciles de integrar y fáciles de mantener. Las opciones de software incluidas son amplias y están disponibles tanto para programadores como para no programadores. Comuníquese con Measurement Computing Corporation si tiene alguna pregunta o si desea obtener más información: (508) 946-5100 o [email protected]

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