Thermocouples et Raspberry Pi pour la surveillance des machines IIoT

Les appareils DAQ peuvent mesurer avec précision les thermocouples dans un environnement Raspberry Pi. Voici comment. Cet article provient de l'Ebook InTech Focus de mars 2021 : Température et pression.

La technologie de pointe de l'Internet des objets (IoT) et les analyses avancées sont de plus en plus utilisées pour l'optimisation des processus et l'amélioration de l'efficacité des machines industrielles, car elles permettent une maintenance prédictive. Les données analysées pour cette forme de gestion des actifs incluent souvent des mesures de température. Et la puissance de calcul pour effectuer ces analyses est de plus en plus fournie par des appareils IoT basés sur Raspberry PiRaspberry Pi est une série de petits ordinateurs monocarte développés au Royaume-Uni par la Fondation Raspberry Pi en association avec Broadcom. Le projet Raspberry Pi se concentrait à l'origine sur l'enseignement de l'informatique de base dans les écoles et dans les pays en développement, mais la base croissante de Raspberry Pi signifie que les cartes informatiques trouvent de plus en plus leur place dans les applications d'automatisation industrielle, en particulier en tant que dispositifs IIoT. L'utilisation de C/C++ et Python open-source permet aux utilisateurs de développer des applications sur Linux.Bien que les thermocouples soient un moyen populaire de mesurer la température, concevoir et construire des dispositifs d'acquisition de données (DAQ) qui mesurent avec précision les thermocouples dans un environnement Raspberry Pi est un défi. Cet article explique les difficultés rencontrées pour effectuer des mesures de thermocouple précises, comment le MCC 134 DAQ HAT y parvient et comment le MCC 134 est utilisé dans les appareils IIoT pour la surveillance de l'état des machines.

Un thermocouple est un capteur utilisé pour mesurer la température. Il fonctionne en convertissant les gradients thermiques en différence de potentiel électrique, un phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Un thermocouple est composé de deux fils avec des métaux différents réunis à une extrémité, créant une jonction. Étant donné que deux fils métalliques différents créent des potentiels électriques différents sur un gradient de température, une tension pouvant être mesurée est induite dans le circuit. Différents types de thermocouples ont différentes combinaisons de métal dans les fils et sont utilisés pour mesurer différentes plages de température. Par exemple, les thermocouples de type J sont fabriqués avec du fer et du constantan (alliage cuivre-nickel) et conviennent aux mesures dans la plage de -210°C à 1200°C, tandis que les thermocouples de type T sont fabriqués avec du cuivre et du constantan et conviennent aux mesures dans la plage de -270°C à 400°C. Le gradient thermique mentionné ci-dessus est appelé la différence de température entre les deux jonctions : la mesure, ou jonction chaude, au point d'intérêt et la référence, ou jonction froide, au le bornier de l'appareil de mesure (figure 1). Notez que la jonction chaude fait référence à la jonction de mesure et non à sa température ; cette jonction peut être plus chaude ou plus froide que la température de référence ou de jonction froide. Les thermocouples produisent une tension relative au gradient de température, la différence entre la jonction chaude et la jonction froide. La seule façon de déterminer la température absolue de la jonction chaude est de connaître la température absolue de la jonction froide.Alors que les systèmes plus anciens reposaient sur des bains de glace pour mettre en œuvre une référence de jonction froide connue, les appareils de mesure de thermocouple modernes utilisent un capteur ou plusieurs capteurs pour mesurer le bornier (jonction froide) où les thermocouples se connectent à l'appareil de mesure.

L'erreur de mesure du thermocouple provient de nombreuses sources, notamment le bruit, la linéarité et l'erreur de décalage ; le thermocouple lui-même ; et mesure de la température de référence ou de soudure froide. Dans les appareils de mesure 24 bits modernes, des ADC de haute précision sont utilisés et des pratiques de conception sont mises en œuvre pour minimiser le bruit, la linéarité et les erreurs de décalage. L'erreur de thermocouple ne peut pas être évitée, mais elle peut être minimisée. Cette erreur est due aux imperfections des alliages utilisés, car elles varient légèrement d'un lot à l'autre. Certains thermocouples ont intrinsèquement moins d'erreur. Les thermocouples standard de type K et J ont jusqu'à ±2,2 °C d'erreur, tandis que les thermocouples de type T ont jusqu'à ±1 °C d'erreur. Les thermocouples plus coûteux (limites d'erreur spéciales [SLE]) sont fabriqués avec un fil de qualité supérieure et peuvent être utilisés pour réduire les erreurs d'un facteur deux. Mesurer avec précision la jonction froide, où les thermocouples se connectent à l'appareil, peut être un défi . Dans les instruments plus coûteux comme les produits DT MEASURpoint, une plaque métallique isotherme est utilisée pour maintenir la jonction froide constante et facile à mesurer avec une bonne précision pour mesurer la température au point de contact exact entre le thermocouple et le connecteur en cuivre. Ce fait rend la mesure de la température de la soudure froide vulnérable aux erreurs temporaires provoquées par des changements rapides de température ou des conditions d'alimentation à proximité de la soudure froide.

Pour mieux comprendre les défis de conception du MCC 134, nous pouvons le comparer à la conception du populaire E-TC de MCC, un appareil de mesure de thermocouple de haute précision connecté à Ethernet. La température de soudure froide de l'E-TC est mesurée par le capteur de température IC ADT7310 d'Analog Devices. La conception du capteur IC fonctionne bien dans l'E-TC MCC car l'environnement de mesure est contrôlé et cohérent. Le boîtier extérieur en plastique contrôle le flux d'air et les composants électroniques et les processeurs fonctionnent à une charge constante. Dans l'environnement contrôlé de l'E-TC, le capteur IC fait un excellent travail de mesure de la température de soudure froide avec précision. Cependant, lorsque le MCC 134 a été conçu pour la première fois avec un capteur IC pour mesurer la température de soudure froide, la précision était insuffisante. Étant donné que le capteur IC ne pouvait pas être placé suffisamment près du bloc de connexion, des gradients de température importants et incontrôlés causés par le Raspberry Pi et l'environnement externe ont entraîné une mauvaise répétabilité des mesures. Ainsi, le MCC 134 a été repensé avec un schéma amélioré qui a une bien meilleure précision et répétabilité tout en maintenant un faible coût. Au lieu d'utiliser un capteur IC et un bornier, MCC a repensé la carte avec deux borniers et trois thermistances, une placée de chaque côté et entre les borniers, comme illustré à la figure 2. Bien que cela ait ajouté de la complexité à la conception, le les thermistances suivaient avec plus de précision les changements de température de la jonction froide, même pendant les changements de charge du processeur et de température ambiante. Cette conception donne d'excellents résultats qui sont beaucoup moins sensibles à l'environnement incontrôlé de Raspberry Pi. Le MCC 134 devrait obtenir des résultats dans les spécifications de précision maximale du thermocouple lorsqu'il fonctionne dans les conditions environnementales documentées. Étant donné que certains facteurs affectent toujours la précision, les utilisateurs peuvent améliorer les résultats de mesure en réduisant les variations rapides des gradients de température sur le MCC 134 et en suivant d'autres bonnes pratiques.

Le système de surveillance de l'utilisation de la santé Thinaer (HUMS) collecte les données des centres d'usinage, des machines CNC, des fraiseuses et des moteurs et utilise ces données pour fournir une solution "toujours active" pour la surveillance, les rapports d'utilisation et la maintenance prédictive. La plate-forme IoT de Thinaer intègre les données de la machine avec la rétroaction humaine et utilise un mélange de matériel et de logiciels MCC et Thinaer pour capturer des données de machine en temps réel telles que la température, l'emplacement, les vibrations, la tension, la pression et le courant électrique. Les systèmes Thinaer utilisent des nœuds Raspberry Pi qui communiquent avec des capteurs intelligents via Bluetooth Low Energy. Cependant, ces capteurs intelligents ne disposent pas des données de température ou de vibration à grande vitesse de haute précision nécessaires pour une meilleure analyse. La solution pour Thinaer était d'utiliser le HAT de mesure de thermocouple MCC 134 (voir encadré) pour mesurer la température (ainsi que HAT de mesure MCC 172 IEPE pour mesurer les vibrations) et pour collecter les données nécessaires à la création de mesures, d'analyses et d'une stratégie précises. Le système a été programmé à l'aide des bibliothèques C et Python fournies pour l'acquisition continue et multi-HAT de données. L'utilisation de la technologie MCC a fait gagner du temps et du travail à Thinaer. Les HAT MCC DAQ s'intègrent facilement dans le boîtier du système existant et la conception prête à l'emploi a évité à Thinaer d'avoir à développer une solution interne personnalisée.

Les thermocouples offrent un moyen peu coûteux et flexible de mesurer la température, mais il est difficile de mesurer avec précision les thermocouples. Grâce à une conception innovante et à des tests approfondis, MCC a relevé le défi de mesurer avec précision les thermocouples dans l'environnement incontrôlé de Raspberry Pi. Le MCC 134 DAQ HAT offre la possibilité d'utiliser des thermocouples standard avec la plate-forme informatique à croissance rapide et à faible coût.

Le HAT de mesure de thermocouple MCC 134 pour Raspberry Pi apporte une capacité de mesure de température de haute qualité à l'ordinateur populaire à faible coût. L'appareil dispose de quatre entrées de thermocouple (TC) capables de mesurer les types de TC les plus courants, notamment J, K, R, S, T, N, E et B. Chaque type de canal est sélectionnable canal par canal. Le MCC 134 a une résolution de 24 bits et une précision de qualité professionnelle. La détection de thermocouple ouvert permet aux utilisateurs de surveiller les thermocouples cassés ou déconnectés. Jusqu'à huit MCC HAT peuvent être empilés sur un Raspberry Pi. Avec le MCC 118 déjà disponible, le HAT de mesure de tension à huit canaux et le HAT de sortie de tension et d'E/S numériques du MCC 152, les utilisateurs peuvent configurer des solutions multifonctions basées sur Pi avec entrée, sortie et E/S numériques. Mars 2021 InTech Focus : Température et Pression.

Steve Radecky est ingénieur marketing pour Measurement Computing. Measurement Computing conçoit et fabrique des dispositifs d'acquisition de données faciles à utiliser, faciles à intégrer et faciles à prendre en charge. Les options logicielles incluses sont étendues et fournies à la fois aux programmeurs et aux non-programmeurs. Veuillez contacter Measurement Computing Corporation si vous avez des questions ou si vous souhaitez obtenir de plus amples informations : (508) 946-5100 ou [email protected]

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