Termocoppie e Raspberry Pi per il monitoraggio delle macchine IIoT

I dispositivi DAQ possono misurare con precisione le termocoppie in un ambiente Raspberry Pi. Ecco come. Questo articolo proviene dall'ebook InTech Focus: Temperature and Pressure di marzo 2021.

La tecnologia all’avanguardia dell’Internet delle cose (IoT) e l’analisi avanzata vengono sempre più utilizzate per l’ottimizzazione dei processi e il miglioramento dell’efficienza dei macchinari industriali perché consentono la manutenzione predittiva. I dati analizzati per questa forma di gestione patrimoniale spesso includono misurazioni della temperatura. E la potenza di calcolo per eseguire tali analisi viene fornita sempre più da dispositivi IoT basati su Raspberry Pi. Raspberry Pi è una serie di piccoli computer a scheda singola sviluppati nel Regno Unito dalla Raspberry Pi Foundation in associazione con Broadcom. Il progetto Raspberry Pi originariamente si concentrava sull’insegnamento dell’informatica di base nelle scuole e nei paesi in via di sviluppo, ma la crescente base di Raspberry Pi significa che le schede dei computer stanno trovando sempre più spazio nelle applicazioni di automazione industriale, in particolare come dispositivi IIoT. L'uso di C/C++ e Python open source consente agli utenti di sviluppare applicazioni su Linux. Sebbene le termocoppie siano un modo popolare per misurare la temperatura, progettare e costruire dispositivi di acquisizione dati (DAQ) che misurano accuratamente le termocoppie in un ambiente Raspberry Pi è impegnativo. Questo articolo spiega le difficoltà nell'effettuare misurazioni accurate della termocoppia, come l'MCC 134 DAQ HAT le realizza e come MCC 134 viene utilizzato nei dispositivi IIoT per il monitoraggio dello stato delle macchine.

Una termocoppia è un sensore utilizzato per misurare la temperatura. Funziona convertendo i gradienti termici in differenza di potenziale elettrico, un fenomeno noto come effetto Seebeck. Una termocoppia è costituita da due fili con metalli diversi uniti insieme ad un'estremità, creando una giunzione. Poiché due fili metallici diversi creano potenziali elettrici diversi rispetto a un gradiente di temperatura, nel circuito viene indotta una tensione che può essere misurata. Diversi tipi di termocoppie hanno diverse combinazioni di metallo nei fili e vengono utilizzati per misurare diversi intervalli di temperatura. Ad esempio, le termocoppie di tipo J sono realizzate con ferro e costantana (lega rame-nichel) e sono adatte per misurazioni nell'intervallo da –210°C a 1200°C, mentre le termocoppie di tipo T sono realizzate con rame e costantana e sono adatte per misurazioni nell'intervallo da –270°C a 400°C. Il gradiente termico sopra menzionato è indicato come la differenza di temperatura tra le due giunzioni: la misura, o giunzione calda, nel punto di interesse e il riferimento, o giunzione fredda, nel punto di interesse il blocco connettore del dispositivo di misurazione (figura 1). Si noti che il giunto caldo si riferisce alla giunzione di misura e non alla sua temperatura; questa giunzione potrebbe essere più calda o più fredda della temperatura di riferimento o della giunzione fredda. Le termocoppie producono una tensione relativa al gradiente di temperatura, la differenza tra la giunzione calda e quella fredda. L'unico modo per determinare la temperatura assoluta della giunzione calda è conoscere la temperatura assoluta della giunzione fredda. Mentre i sistemi più vecchi si affidavano a bagni di ghiaccio per implementare un riferimento noto della giunzione fredda, i moderni dispositivi di misurazione della termocoppia utilizzano uno o più sensori per misurare la morsettiera (giunzione fredda) dove le termocoppie si collegano al dispositivo di misurazione.

L'errore di misurazione della termocoppia deriva da molte fonti, tra cui rumore, linearità ed errore di offset; la termocoppia stessa; e misurazione della temperatura di riferimento o del giunto freddo. Nei moderni dispositivi di misurazione a 24 bit vengono utilizzati ADC ad alta precisione e vengono implementate pratiche di progettazione per ridurre al minimo il rumore, la linearità e gli errori di offset. L'errore della termocoppia non può essere evitato, ma può essere minimizzato. Questo errore è dovuto alle imperfezioni delle leghe utilizzate, perché variano leggermente da lotto a lotto. Alcune termocoppie hanno intrinsecamente meno errori. Le termocoppie standard di tipo K e J hanno un errore fino a ±2,2°C, mentre le termocoppie di tipo T hanno un errore fino a ±1°C. Le termocoppie più costose (limiti speciali di errore [SLE]) sono realizzate con filo di qualità superiore e possono essere utilizzate per ridurre gli errori di un fattore due. Misurare accuratamente la giunzione fredda, dove le termocoppie si collegano al dispositivo, può essere una sfida . Negli strumenti più costosi come i prodotti DT MEASURpoint, viene utilizzata una piastra metallica isotermica per mantenere la giunzione fredda coerente e facile da misurare con buona precisione. Nei dispositivi a basso costo, i blocchi metallici isotermici hanno costi proibitivi e senza un blocco isotermico non è possibile per misurare la temperatura nel punto esatto di contatto tra la termocoppia e il connettore in rame. Questo fatto rende la misurazione della temperatura della giunzione fredda vulnerabile a errori temporanei causati da rapidi cambiamenti delle temperature o delle condizioni di alimentazione vicino alla giunzione fredda.