Thermoelemente und Raspberry Pi für die IIoT-Maschinenüberwachung

DAQ-Geräte können Thermoelemente in einer Raspberry Pi-Umgebung genau messen. Hier ist wie. Dieser Artikel stammt aus dem E-Book „InTech Focus: Temperature and Pressure“ vom März 2021.

Modernste Internet-of-Things-Technologie (IoT) und fortschrittliche Analysen werden zunehmend zur Prozessoptimierung und verbesserten Effizienz von Industriemaschinen eingesetzt, da sie eine vorausschauende Wartung ermöglichen. Zu den Daten, die bei dieser Form der Vermögensverwaltung analysiert werden, gehören häufig auch Temperaturmessungen. Und die Rechenleistung zur Durchführung dieser Analysen wird zunehmend von IoT-Geräten bereitgestellt, die auf Raspberry Pi basieren. Raspberry Pi ist eine Reihe kleiner Einplatinencomputer, die in Großbritannien von der Raspberry Pi Foundation in Zusammenarbeit mit Broadcom entwickelt wurden. Das Raspberry-Pi-Projekt konzentrierte sich ursprünglich auf den Unterricht grundlegender Informatik in Schulen und in Entwicklungsländern. Doch die wachsende Basis von Raspberry Pi bedeutet, dass Computerplatinen zunehmend ihren Weg in industrielle Automatisierungsanwendungen finden – insbesondere als IIoT-Geräte. Durch die Verwendung von Open-Source-C/C++ und Python können Benutzer Anwendungen unter Linux entwickeln. Obwohl Thermoelemente eine beliebte Methode zur Temperaturmessung sind, ist das Entwerfen und Bauen von Datenerfassungsgeräten (DAQ), die Thermoelemente in einer Raspberry Pi-Umgebung genau messen, eine Herausforderung. In diesem Artikel werden die Schwierigkeiten bei der Durchführung genauer Thermoelementmessungen erläutert, wie der MCC 134 DAQ HAT dies erreicht und wie MCC 134 in IIoT-Geräten zur Überwachung des Maschinenzustands verwendet wird.

Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Temperaturmessung. Es funktioniert durch die Umwandlung von Wärmegradienten in elektrische Potenzialdifferenzen – ein Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist. Ein Thermoelement besteht aus zwei Drähten mit unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind und so eine Verbindung bilden. Da zwei unterschiedliche Metalldrähte über einen Temperaturgradienten unterschiedliche elektrische Potentiale erzeugen, wird im Stromkreis eine messbare Spannung induziert. Verschiedene Thermoelementtypen haben unterschiedliche Metallkombinationen in den Drähten und werden zur Messung unterschiedlicher Temperaturbereiche verwendet. Thermoelemente vom Typ J bestehen beispielsweise aus Eisen und Konstantan (Kupfer-Nickel-Legierung) und eignen sich für Messungen im Bereich von –210 °C bis 1200 °C, während Thermoelemente vom Typ T aus Kupfer und Konstantan bestehen und für Messungen geeignet sind im Bereich von –270 °C bis 400 °C. Der oben erwähnte Wärmegradient wird als Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungsstellen bezeichnet: der Mess- oder Heißverbindung am interessierenden Punkt und der Referenz- oder Kaltverbindung an der Stelle den Anschlussblock des Messgeräts (Abbildung 1). Beachten Sie, dass sich die heiße Verbindungsstelle auf die Messverbindung und nicht auf deren Temperatur bezieht. Diese Verbindungsstelle kann heißer oder kälter als die Referenz- oder Kaltstellentemperatur sein. Thermoelemente erzeugen eine Spannung relativ zum Temperaturgradienten – der Differenz zwischen der heißen und der kalten Verbindungsstelle. Die einzige Möglichkeit, die absolute Temperatur der heißen Verbindungsstelle zu bestimmen, besteht darin, die absolute Temperatur der kalten Verbindungsstelle zu kennen. Während ältere Systeme auf Eisbäder angewiesen waren, um eine bekannte Vergleichsstellenreferenz zu implementieren, verwenden moderne Thermoelementmessgeräte einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung Der Klemmenblock (Vergleichsstelle), an dem Thermoelemente mit dem Messgerät verbunden werden.

Messfehler von Thermoelementen haben viele Ursachen, darunter Rauschen, Linearität und Offsetfehler. das Thermoelement selbst; und Messung der Referenz- oder Kaltstellentemperatur. In modernen 24-Bit-Messgeräten werden hochpräzise ADCs verwendet und Designpraktiken implementiert, um Rauschen, Linearität und Offsetfehler zu minimieren. Thermoelementfehler können nicht vermieden, aber minimiert werden. Dieser Fehler ist auf die Unvollkommenheiten der verwendeten Legierungen zurückzuführen, da diese von Charge zu Charge leicht variieren. Bestimmte Thermoelemente weisen von Natur aus weniger Fehler auf. Standard-Thermoelemente vom Typ K und J weisen einen Fehler von bis zu ±2,2 °C auf, während Thermoelemente vom Typ T einen Fehler von bis zu ±1 °C aufweisen. Teurere Thermoelemente (spezielle Fehlergrenzen [SLE]) werden aus höherwertigem Draht hergestellt und können verwendet werden, um Fehler um den Faktor zwei zu reduzieren. Die genaue Messung der Vergleichsstelle, an der die Thermoelemente mit dem Gerät verbunden sind, kann eine Herausforderung sein . In teureren Instrumenten wie den DT MEASURpoint-Produkten wird eine isotherme Metallplatte verwendet, um die Vergleichsstelle konsistent und einfach mit guter Genauigkeit zu messen. Bei kostengünstigeren Geräten sind isotherme Metallblöcke zu teuer, und ohne einen isothermen Block ist dies nicht möglich um die Temperatur genau am Kontaktpunkt zwischen Thermoelement und Kupferstecker zu messen. Diese Tatsache macht die Messung der Vergleichsstellentemperatur anfällig für vorübergehende Fehler, die durch sich schnell ändernde Temperaturen oder Strombedingungen in der Nähe der Vergleichsstelle verursacht werden.

Um die Designherausforderungen des MCC 134 besser zu verstehen, können wir ihn mit dem Design des beliebten E-TC von MCC vergleichen – einem hochpräzisen, über Ethernet angeschlossenen Thermoelementmessgerät. Die Vergleichsstellentemperatur des E-TC wird mit dem IC-Temperatursensor ADT7310 von Analog Devices gemessen. Das IC-Sensordesign funktioniert gut im MCC E-TC, da die Messumgebung kontrolliert und konsistent ist. Das äußere Kunststoffgehäuse steuert den Luftstrom und die elektronischen Komponenten und Prozessoren arbeiten unter konstanter Last. In der kontrollierten Umgebung des E-TC leistet der IC-Sensor hervorragende Arbeit bei der genauen Messung der Vergleichsstellentemperatur. Als der MCC 134 jedoch erstmals mit einem IC-Sensor zur Messung der Vergleichsstellentemperatur entwickelt wurde, war die Genauigkeit unzureichend. Da der IC-Sensor nicht nah genug am Anschlussblock platziert werden konnte, führten große und unkontrollierte Temperaturgradienten, die durch den Raspberry Pi und die äußere Umgebung verursacht wurden, zu einer schlechten Wiederholbarkeit der Messungen. Deshalb wurde der MCC 134 mit einem verbesserten Schema neu entwickelt, das eine weitaus bessere Genauigkeit bietet und Wiederholbarkeit bei gleichzeitig niedrigen Kosten. Anstatt einen IC-Sensor und einen Anschlussblock zu verwenden, hat MCC die Platine mit zwei Anschlussblöcken und drei Thermistoren neu gestaltet – einer auf jeder Seite und zwischen den Anschlussblöcken platziert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Obwohl dies das Design komplexer machte, war der Thermistoren verfolgten die Temperaturänderungen der Vergleichsstelle genauer, selbst bei Änderungen der Prozessorlast und der Umgebungstemperatur. Dieses Design liefert hervorragende Ergebnisse, die weitaus weniger anfällig für die unkontrollierte Raspberry Pi-Umgebung sind. Der MCC 134 sollte Ergebnisse innerhalb der maximalen Thermoelement-Genauigkeitsspezifikationen erzielen, wenn er unter den dokumentierten Umgebungsbedingungen betrieben wird. Da sich bestimmte Faktoren immer noch auf die Genauigkeit auswirken, können Benutzer die Messergebnisse verbessern, indem sie schnelle Änderungen der Temperaturgradienten im gesamten MCC 134 reduzieren und andere Best Practices befolgen.

Das Thinaer Health Usage Monitoring System (HUMS) sammelt Daten von Bearbeitungszentren, CNC-Maschinen, Fräsmaschinen und Motoren und nutzt diese Daten, um eine „always-on“-Lösung für Überwachung, Nutzungsberichte und vorausschauende Wartung bereitzustellen. Die IoT-Plattform von Thinaer integriert Maschinendaten mit menschlichem Feedback und verwendet eine Mischung aus MCC- und Thinaer-Hardware und -Software, um Echtzeit-Maschinendaten wie Temperatur, Standort, Vibration, Spannung, Druck und elektrischen Strom zu erfassen. Thinaer-Systeme verwenden Raspberry Pi-Knoten, die kommunizieren mit smarten Sensoren über Bluetooth Low Energy. Diese intelligenten Sensoren verfügen jedoch nicht über die hochgenauen Temperatur- oder Hochgeschwindigkeits-Vibrationsdaten, die für eine bessere Analyse erforderlich sind. Die Lösung für Thinaer bestand darin, das Thermoelement-Mess-HAT MCC 134 (siehe Kasten) zur Messung der Temperatur (sowie der Temperatur) zu verwenden MCC 172 IEPE-Mess-HAT zur Messung von Vibrationen) und zur Erfassung der Daten, die für die Erstellung genauer Messungen, Analysen und Strategien erforderlich sind. Die stapelbaren DAQ-HATs ermöglichen Thinaer außerdem eine Skalierung, ohne dass die Plattform geändert oder interne Hardware-Entwicklung oder -Montage durchgeführt werden muss. Das System wurde unter Verwendung der bereitgestellten C- und Python-Bibliotheken für die kontinuierliche Multi-HAT-Erfassung von Daten programmiert. Durch den Einsatz der MCC-Technologie sparte Thinaer sowohl Zeit als auch Arbeit. Die MCC DAQ HATs passen problemlos in das bestehende Systemgehäuse und das serienmäßige Design erspart Thinaer die Entwicklung einer individuellen, internen Lösung.

Thermoelemente bieten eine kostengünstige und flexible Möglichkeit zur Temperaturmessung, die genaue Messung von Thermoelementen ist jedoch schwierig. Durch innovatives Design und umfangreiche Tests hat MCC die Herausforderung gemeistert, Thermoelemente in der unkontrollierten Raspberry Pi-Umgebung genau zu messen. Der MCC 134 DAQ HAT bietet die Möglichkeit, Standard-Thermoelemente mit der schnell wachsenden, kostengünstigen Computerplattform zu verwenden.

Der Thermoelement-Mess-HAT MCC 134 für Raspberry Pi bietet hochwertige Temperaturmessfunktionen für den beliebten kostengünstigen Computer. Das Gerät verfügt über vier Thermoelement-Eingänge (TC), mit denen die gängigsten TC-Typen gemessen werden können, darunter J, K, R, S, T, N, E und B. Jeder Kanaltyp ist einzeln wählbar. Der MCC 134 verfügt über eine 24-Bit-Auflösung und professionelle Genauigkeit. Mit der Erkennung offener Thermoelemente können Benutzer auf defekte oder nicht angeschlossene Thermoelemente überwachen. Bis zu acht MCC HATs können auf einem Raspberry Pi gestapelt werden. Mit dem bereits verfügbaren MCC 118, einem Achtkanal-Spannungsmess-HAT, und dem MCC 152-HAT mit Spannungsausgang und digitalem I/O können Benutzer multifunktionale, Pi-basierte Lösungen mit analogem Eingang, Ausgang und digitalem I/O konfigurieren. Dieser Artikel stammt von der März 2021 InTech-Fokus: Temperatur und Druck.

Steve Radecky ist Marketingingenieur für Measurement Computing. Measurement Computing entwickelt und fertigt Datenerfassungsgeräte, die einfach zu bedienen, leicht zu integrieren und leicht zu unterstützen sind. Die enthaltenen Softwareoptionen sind umfangreich und stehen sowohl Programmierern als auch Nicht-Programmierern zur Verfügung. Wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen wünschen, wenden Sie sich bitte an Measurement Computing Corporation: (508) 946-5100 oder [email protected]

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