Termopares e Raspberry Pi para monitoramento de máquinas IIoT

Os dispositivos DAQ podem medir com precisão os termopares em um ambiente Raspberry Pi. Veja como. Este artigo vem do Ebook InTech Focus de março de 2021: Temperatura e pressão.

A tecnologia de ponta da Internet das Coisas (IoT) e análises avançadas estão sendo cada vez mais usadas para otimização de processos e maior eficiência de máquinas industriais porque permitem a manutenção preditiva. Os dados que estão sendo analisados ​​para esta forma de gerenciamento de ativos geralmente incluem medições de temperatura. E o poder de computação para realizar essas análises está sendo cada vez mais fornecido por dispositivos IoT baseados em Raspberry PiRaspberry Pi é uma série de pequenos computadores de placa única desenvolvidos no Reino Unido pela Fundação Raspberry Pi em associação com a Broadcom. O projeto Raspberry Pi originalmente se concentrava no ensino de ciência da computação básica em escolas e em países em desenvolvimento, mas a crescente base de Raspberry Pi significa que as placas de computador estão cada vez mais encontrando seu caminho para aplicações de automação industrial - particularmente como dispositivos IIoT. O uso de C/C++ e Python de código aberto permite que os usuários desenvolvam aplicativos no Linux. Embora os termopares sejam uma forma popular de medir temperatura, projetar e construir dispositivos de aquisição de dados (DAQ) que medem termopares com precisão em um ambiente Raspberry Pi é um desafio. Este artigo explica as dificuldades em fazer medições precisas de termopares, como o MCC 134 DAQ HAT realiza isso e como o MCC 134 está sendo usado em dispositivos IIoT para monitoramento da integridade da máquina.

Um termopar é um sensor usado para medir a temperatura. Ele funciona convertendo gradientes térmicos em diferença de potencial elétrico – um fenômeno conhecido como efeito Seebeck. Um termopar é feito de dois fios com metais diferentes unidos em uma extremidade, criando uma junção. Como dois fios de metal diferentes criam diferentes potenciais elétricos em um gradiente de temperatura, uma voltagem que pode ser medida é induzida no circuito. Diferentes tipos de termopares têm diferentes combinações de metal nos fios e são usados ​​para medir diferentes faixas de temperatura. Por exemplo, os termopares do tipo J são feitos de ferro e constantan (liga de cobre-níquel) e são adequados para medições na faixa de -210°C a 1200°C, enquanto os termopares do tipo T são feitos de cobre e constantan e são adequados para medições na faixa de –270°C a 400°C. O gradiente térmico mencionado acima é referido como a diferença de temperatura entre as duas junções: a medição, ou junção quente, no ponto de interesse e a referência, ou junção fria, no o bloco conector do dispositivo de medição (figura 1). Observe que a junção quente refere-se à junção de medição e não à sua temperatura; essa junção pode ser mais quente ou mais fria do que a temperatura de referência ou da junção fria. Os termopares produzem uma tensão relativa ao gradiente de temperatura - a diferença entre a junção quente e fria. A única maneira de determinar a temperatura absoluta da junção quente é saber a temperatura absoluta da junção fria. Enquanto os sistemas mais antigos dependiam de banhos de gelo para implementar uma referência de junção fria conhecida, os dispositivos modernos de medição de termopares usam um sensor ou vários sensores para medir o bloco terminal (junção fria) onde os termopares se conectam ao dispositivo de medição.

O erro de medição do termopar vem de várias fontes, incluindo ruído, linearidade e erro de deslocamento; o próprio termopar; e medição da temperatura de referência ou junção fria. Em dispositivos de medição modernos de 24 bits, ADCs de alta precisão são usados ​​e práticas de projeto são implementadas para minimizar ruído, linearidade e erros de deslocamento. O erro de termopar não pode ser evitado, mas pode ser minimizado. Esse erro se deve às imperfeições das ligas utilizadas, pois variam um pouco de lote para lote. Certos termopares têm inerentemente menos erros. Os termopares padrão tipo K e J têm erro de até ±2,2°C, enquanto os termopares tipo T têm erro de até ±1°C. Termopares mais caros (limites especiais de erro [SLE]) são feitos com fio de qualidade superior e podem ser usados ​​para reduzir os erros em um fator de dois. Medir com precisão a junção fria, onde os termopares se conectam ao dispositivo, pode ser um desafio . Em instrumentos mais caros, como os produtos DT MEASURpoint, uma placa de metal isotérmica é empregada para manter a junção fria consistente e fácil de medir com boa precisão. para medir a temperatura no ponto exato de contato entre o termopar e o conector de cobre. Esse fato torna a medição da temperatura da junção fria vulnerável a erros temporários causados ​​por mudanças rápidas de temperatura ou condições de energia próximas à junção fria.