Термопары и Raspberry Pi для мониторинга машин IIoT

Устройства сбора данных могут точно измерять термопары в среде Raspberry Pi. Вот как. Эта статья взята из электронной книги InTech Focus: температура и давление за март 2021 года.

Передовые технологии Интернета вещей (IoT) и расширенная аналитика все чаще используются для оптимизации процессов и повышения эффективности промышленного оборудования, поскольку они обеспечивают возможность профилактического обслуживания. Данные, анализируемые для этой формы управления активами, часто включают измерения температуры. Вычислительная мощность для выполнения такого анализа все чаще обеспечивается устройствами Интернета вещей на базе Raspberry Pi. Raspberry Pi — это серия небольших одноплатных компьютеров, разработанных в Великобритании Raspberry Pi Foundation совместно с Broadcom. Первоначально проект Raspberry Pi был ориентирован на преподавание основ информатики в школах и в развивающихся странах, но растущая база Raspberry Pi означает, что компьютерные платы все чаще находят свое применение в приложениях промышленной автоматизации, особенно в качестве устройств IIoT. Использование C/C++ и Python с открытым исходным кодом позволяет пользователям разрабатывать приложения в Linux. Хотя термопары являются популярным способом измерения температуры, проектирование и создание устройств сбора данных (DAQ), которые точно измеряют термопары в среде Raspberry Pi, является сложной задачей. В этой статье объясняются трудности при проведении точных измерений с помощью термопар, как это достигается с помощью DAQ HAT MCC 134 и как MCC 134 используется в устройствах IIoT для мониторинга состояния оборудования.

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Он работает путем преобразования температурных градиентов в разность электрических потенциалов — явление, известное как эффект Зеебека. Термопара состоит из двух проводов с разнородными металлами, соединенных на одном конце, образуя соединение. Поскольку две разнородные металлические проволоки создают разные электрические потенциалы при температурном градиенте, в цепи индуцируется напряжение, которое можно измерить. Различные типы термопар имеют разные комбинации металлов в проводах и используются для измерения разных температурных диапазонов. Например, термопары типа J изготавливаются из железа и константана (медно-никелевого сплава) и подходят для измерений в диапазоне от –210°C до 1200°C, тогда как термопары типа T изготавливаются из меди и константана и подходят для измерений. в диапазоне от –270°C до 400°C. Упомянутый выше температурный градиент называется разницей температур между двумя спаями: измерением или горячим спаем в интересующей точке и эталоном или холодным спаем в точке, представляющей интерес. колодка разъемов измерительного устройства (рисунок 1). Обратите внимание, что под горячим спаем подразумевается измерительный спай, а не его температура; этот спай может быть горячее или холоднее, чем эталонная температура или температура холодного спая. Термопары создают напряжение относительно градиента температуры — разницы между горячим и холодным спаем. Единственный способ определить абсолютную температуру горячего спая — это знать абсолютную температуру холодного спая. В то время как старые системы полагались на ледяные ванны для реализации известного эталона холодного спая, современные измерительные устройства с термопарами используют датчик или несколько датчиков для измерения. клеммная колодка (холодный спай), где термопары подключаются к измерительному устройству.

Ошибка измерения термопары возникает из-за многих источников, включая шум, линейность и ошибку смещения; сама термопара; и измерение эталонной температуры или температуры холодного спая. В современных 24-битных измерительных устройствах используются высокоточные АЦП, а методы проектирования реализованы для минимизации шума, линейности и ошибок смещения. Ошибки термопары избежать невозможно, но ее можно минимизировать. Эта ошибка связана с несовершенством используемых сплавов, поскольку они незначительно различаются от партии к партии. Некоторые термопары по своей природе имеют меньшую погрешность. Стандартные термопары типов K и J имеют погрешность до ±2,2°C, тогда как термопары типа T имеют погрешность до ±1°C. Более дорогие термопары (специальные пределы погрешности [SLE]) изготавливаются из проволоки более высокого качества и могут использоваться для уменьшения ошибок в два раза. Точное измерение температуры холодного спая, где термопары подключаются к устройству, может оказаться сложной задачей. . В более дорогих приборах, таких как продукты DT MEASURpoint, используется изотермическая металлическая пластина, чтобы обеспечить единообразие холодного спая и простоту измерения с хорошей точностью. В более дешевых устройствах изотермические металлические блоки являются непомерно дорогими, и без изотермического блока это невозможно. для измерения температуры точно в точке контакта между термопарой и медным разъемом. Этот факт делает измерение температуры холодного спая уязвимым к временным ошибкам, вызванным быстрым изменением температуры или условий питания вблизи холодного спая.