Măsurarea termocuplurilor cu ajutorul MCC 134 și Raspberry Pi

Termocuplurile sunt o alegere populară în rândul inginerilor pentru măsurarea temperaturii datorită accesibilității, ușurinței de utilizare și a gamei largi de măsurare. Acest articol detaliază complexitatea măsurătorilor precise ale termocuplului și evidențiază modul în care MCC 134 DAQ HAT (nr. stoc RS 230-6181) abordează aceste provocări și oferă sfaturi pentru a minimiza erorile de măsurare pentru utilizatorii MCC 134.

Raspberry Pi HAT

HAT-urile Raspberry Pi (HAT este un joc de cuvinte, care, în engleză înseamnă pălărie, dar provine de la Hardware Attached on Top – hardware atașat deasupra) sunt plăci și module care extind funcționalitatea principală a Raspberry Pi. Aceste plăci de expansiune vă pot ajuta să faceți mai multe cu Pi-ul vostru, fie că este un Pi 2, Pi 3 sau una dintre cele mai recente plăci Pi 4. Raspberry Pi acceptă atât HAT-uri oficiale, cât și terțe, pentru a vă spori și mai mult experiența și pentru a oferi mai multă disponibilitate cu ceea ce poate face dispozitivul vostru.

Pe lângă extensiile de funcționalitate, există și alte dispozitive pentru Raspberry Pi, precum radiatoare suplimentare pentru răcirea dispozitivului la o temperatură optimă care să ofere performanțe mai bune. HAT-urile Raspberry Pi sunt, în mare parte, de tip “plug and play”, pentru o instalare fără efort.

Care sunt cele mai cunoscute HAT-uri pentru Raspberry Pi?

• Plăci PoE (Power over Ethernet – alimentare prin conexiune internet): puteți renunța la adaptorul de rețea și să alimentați plăcile Raspberry Pi cu un cablu ethernet. Pe lângă alimentarea plăcii, acestea vă permit, de asemenea, să aveți o conexiune la internet, rezultând mai puține cabluri și un design care economisește spațiu.
• HAT detecție: este un dispozitiv interactiv, care poate identifica date de la mai multe sisteme de detecție de orientare, temperatură, presiunea aerului, umiditate și multe altele. Include chiar și LED-uri RGB într-o matrice.

Digilent MCC 134 – HAT pentru achiziție date de la termocupluri, pentru Raspberry Pi

Nr. stoc RS: 230-6181 – Producător: Digilent – Cod de producător: 6069-410-002

Prezentare generală: MCC 134 este un HAT pentru termocupluri, creat pentru a fi utilizat cu Raspberry Pi, cel mai popular computer pe o singură placă de pe piață. Acest HAT este o placă add-on cu un conector GPIO (intrare/ieșire de uz general) de 40W, conformă cu specificația Raspberry Pi HAT. MCC 134 HAT oferă patru intrări izolate pentru termocuplu. Pot fi suprapuse până la opt HAT-uri MCC DAQ pe un singur Raspberry Pi.

Interfață Raspberry Pi: MCC 134 se conectează la conectorul I/O de uz general (GPIO) cu 40-pini de pe un Raspberry Pi. MCC 134 a fost testat pentru utilizare cu toate modelele Raspberry Pi cu conector GPIO cu 40-pini.

Configurare HAT: Parametrii de configurare HAT sunt stocați într-o memorie EEPROM integrată, care permite Raspberry Pi să configureze automat pinii GPIO atunci când HAT este conectat. După cum s-a mai menționat, pot fi prinse în stivă până la opt plăci MCC DAQ HAT pe un singur Raspberry Pi.

Intrare pentru termocuplu: Utilizatorii pot conecta până la patru termocupluri diferențiale (TC) la canalele de intrare MCC 134. Tipurile TC sunt selectabile prin software. Valorile TC pot fi actualizate la fiecare secundă, minim. Intrările pentru termocuplu sunt izolate electric de Raspberry Pi pentru a minimiza zgomotul și pentru a oferi protecție împotriva mediilor electrice dure.

Alimentare: MCC 134 este alimentat la 3,3V și 5V, tensiuni furnizate de Raspberry Pi prin conectorul GPIO. Biblioteca MCC DAQ HAT este open-source asigurând comenzi în C/C++ și Python, permițând utilizatorilor să dezvolte aplicații pe Raspberry Pi folosind Linux. Biblioteca este disponibilă pentru descărcare de pe GitHub. Este disponibilă documentație completă API și hardware. Biblioteca MCC DAQ HAT acceptă operarea cu mai multe MCC DAQ HAT, care rulează simultan. Sunt disponibile exemple de programe bazate pe consolă și interfață cu utilizatorul (UI).

Caracteristici

• Patru intrări izolate de termocuplu
• Convertor A/D pe 24-biți
• Interval de actualizare la o secundă, minim
• Tipuri de termocupluri acceptate J, K, R, S, T, N, E și B
• Compensare joncțiune rece
• Liniarizare
• Terminal de conexiuni cu șurub
• Bibliotecă MCC DAQ HAT
• API de programare Linux®
• C, C++, Python

Înțelegerea funcționării unui termocuplu

Termocuplurile funcționează pe baza efectului Seebeck, care convertește gradienții termici în diferențe de potențial electric. Ele constau din două fire din metale diferite unite între ele la un capăt, formând o joncțiune. Diferența dintre metale generează potențiale electrice variate pe un gradient de temperatură, rezultând o tensiune măsurabilă în circuit.

Diversele tipuri de termocupluri folosesc diferite combinații de metale și sunt potrivite pentru anumite intervale de temperatură. De exemplu, termocuplurile de tip J folosesc fier și constantan și sunt ideale pentru măsurători între -210°C și 1200°C, în timp ce termocuplurile de tip T folosesc cupru și constantan pentru măsurători cuprinse între -270°C și 400°C.

Diferența de temperatură dintre două joncțiuni – joncțiunea fierbinte în care se efectuează măsurarea și joncțiunea rece de la blocul conector al dispozitivului de măsurare – este denumită gradient termic.

Fundamentele măsurării termocuplurilor

Termocuplurile generează o tensiune în raport cu gradientul de temperatură dintre joncțiunile calde și reci. Pentru a determina temperatura absolută a joncțiunii calde, este necesar să se cunoască temperatura absolută a joncțiunii reci.

Din punct de vedere istoric, băile de gheață au fost folosite pentru a stabili o referință cunoscută ca joncțiune rece. Cu toate acestea, dispozitivele moderne de măsurare a termocuplurilor utilizează senzori pentru a măsura blocul terminal (joncțiune rece) unde termocuplurile se conectează la dispozitivul de măsurare.

Identificarea surselor de erori pentru termocupluri

Mai mulți factori contribuie la erorile de măsurare a termocuplului, inclusiv zgomotul, liniaritatea și eroarea de compensare, caracteristicile termocuplului în sine și măsurarea temperaturii de referință sau a joncțiunii reci. În dispozitivele moderne de măsurare pe 24-biți de înaltă precizie, sunt utilizate ADC-uri avansate și sunt implementate practici de proiectare pentru a minimiza zgomotul, liniaritatea și erorile de compensare.

Deși este imposibil să se evite complet erorile de termocuplu, este fezabil să se minimizeze. Aceste erori provin în principal din imperfecțiunile inerente ale aliajelor utilizate, care pot varia ușor de la lot la lot. Anumite tipuri de termocuplu prezintă mai puține erori; Termocuplurile standard de tip K și J au un domeniu de eroare de până la ±2,2°C, în timp ce termocuplurile de tip T au un domeniu de eroare de până la ±1°C. Termocuplurile mai scumpe, cunoscute sub numele de SLE (Special Limits of Error), sunt fabricate folosind fire de calitate superioară și pot reduce aceste erori cu un factor de 2.

Măsurarea precisă a joncțiunii reci: măsurarea joncțiunii reci, unde termocuplurile se conectează la dispozitivul de măsurare, reprezintă o provocare. În instrumentele mai scumpe, cum ar fi produsele DT MEASURpoint, o placă metalică izotermă este utilizată pentru a menține o joncțiune rece consistentă și măsurabilă cu precizie. Cu toate acestea, în dispozitivele cu costuri mai mici, încorporarea blocurilor metalice izoterme devine prohibitivă. Ca rezultat, măsurarea cu precizie a temperaturii la punctul exact de contact dintre termocuplu și conectorul de cupru devine o provocare. Această limitare face ca măsurarea temperaturii joncțiunii reci să fie susceptibilă la erori temporare cauzate de schimbarea rapidă a temperaturilor sau a condițiilor de putere din apropierea joncțiunii reci.

Provocări de proiectare pentru MCC 134

Pentru a înțelege provocările de proiectare asociate cu MCC 134, haideți să-l comparăm cu popularul E-TC al MCC, un dispozitiv de măsurare a termocuplurilor de înaltă precizie, conectat prin ethernet. Temperatura joncțiunii reci a E-TC este măsurată folosind senzorul de temperatură IC ADT7310 de la Analog Devices.

Designul senzorului IC funcționează eficient în mediul controlat și consistent al MCC E-TC. Carcasa exterioară din plastic reglează fluxul de aer, iar componentele electronice și procesoarele funcționează sub o sarcină constantă. În consecință, senzorul IC măsoară cu precizie temperatura joncțiunii reci în acest mediu controlat.

Totuși, în timpul proiectării inițiale a MCC 134, a fost folosit un senzor IC pentru a măsura temperatura joncțiunii reci. Cu toate acestea, a devenit evident în timpul procesului de validare a dispozitivului că acuratețea a fost insuficientă. Datorită incapacității de a poziționa senzorul IC suficient de aproape de blocul conector, gradienții mari și necontrolați de temperatură cauzați de Raspberry Pi și de mediul extern au dus la o repetabilitate slabă a măsurătorilor.

MCC a abordat această problemă prin reproiectarea MCC 134 cu o schemă îmbunătățită, care oferă acuratețe și repetabilitate semnificativ îmbunătățite, menținând în același timp un cost scăzut. În loc să utilizeze un senzor IC și un singur bloc terminal, noul design încorporează două blocuri terminale și trei termistori. Acești termistori sunt plasați pe ambele părți și între blocurile terminale. Deși această reproiectare a introdus complexitate, termistorii urmăresc mai precis schimbările de temperatură în joncțiunea rece, chiar și în timpul variațiilor în sarcina procesorului și a temperaturii mediului.

Acest design oferă rezultate excelente, mai puțin sensibile la mediul necontrolat al Raspberry Pi. Dar, anumiți factori pot încă influența acuratețea, iar utilizatorii își pot îmbunătăți rezultatele măsurătorilor reducând la minimum schimbările bruște ale gradienților de temperatură în MCC 134.

Cele mai bune practici pentru măsurări precise cu MCC 134

MCC 134 a fost proiectat pentru a obține rezultate în cadrul specificațiilor maxime de precizie a termocuplului, atunci când este operat în condițiile de mediu documentate. Funcționarea în condiții cu temperaturi tranzitorii excesive sau fluctuații ale fluxului de aer poate afecta rezultatele. În cele mai multe cazuri, MCC 134 va îndeplini specificațiile tipice. Pentru a obține cele mai precise citiri ale termocuplului, MCC recomandă următoarele practici:

• Reduceți sarcina pe procesorul Raspberry Pi. Încărcarea completă a tuturor celor patru nuclee ale procesorului Raspberry Pi cu un program poate crește temperatura procesorului peste 70°C. Rularea unui program care încarcă un singur nucleu va funcționa la o temperatură cu aproximativ 20°C mai mică.
• Minimizați variațiile de temperatură ambientală. Plasați MCC 134 departe de sursele de căldură sau dispozitivele de răcire care se pornesc și se opresc. Schimbările bruște ale mediului pot duce la erori crescute de măsurare.
• Asigurați un flux de aer constant, de exemplu, de la un ventilator. Un flux de aer constant ajută la disiparea căldurii și la reducerea erorilor.
• Când configurați mai multe dispozitive HAT MCC DAQ într-o stivă, poziționați MCC 134 cel mai departe de placa Raspberry Pi. Deoarece Raspberry Pi generează căldură semnificativă, plasarea MCC 134 la o distanță mai mare de Pi va îmbunătăți precizia.

Concluzie

Termocuplurile oferă inginerilor un mijloc rentabil și versatil de măsurare a temperaturii. Cu toate acestea, măsurarea cu precizie a termocuplurilor ridică provocări. Prin design inovator și teste extinse, MCC a depășit dificultățile de a măsura cu precizie termocuplurile în mediul aparent necontrolat al Raspberry Pi. MCC 134 DAQ HAT permite utilizarea termocuplurilor standard cu această platformă de calcul rapidă și rentabilă.

Cea mai recentă generație Raspberry Pi este reprezentată de Raspberry Pi4, disponibilă în versiunile de 2GB si 4GB. Aceasta este cea mai puternică placă Pi de până acum, fiind acum un computer desktop complet; dispozitivul poate fi conectat simultan la două ecrane 4K independente și, față de predecesorii săi, are o putere de procesare de trei ori mai mare și performanțe multimedia de patru ori mai mari. Utilizatorii pot naviga, urmări filme, edita imagini și chiar crea aplicații în ultra HD. Alături de acestea pot fi identificate și module de extensie, precum și numeroase accesorii. Pentru detalii suplimentare, accesați adresa www.ro.rsdelivers.com

Accesorii pentru Raspberry Pi4

Raspberry Pi4 este computerul vostru, miniatural, cu display dual precum și creierul unui robot, hub pentru casa inteligentă, centru media, nucleu de inteligență artificială în rețea, precum si multe altele. Alături de acesta, în oferta Aurocon COMPEC sunt disponibile numeroase accesorii, care fac mai comodă utilizarea în aplicații.

Carcasă din plastic Raspberry Pi pentru utilizare cu Raspberry Pi 4B (roșu, alb)

Nr. stoc RS: 187-6749 – Producător: Raspberry Pi – Cod de producător: RPI4 Case Red/White

Caracteristici tehnice

Carcasă din aluminiu (argintie) RS PRO pentru utilizare cu Raspberry Pi 4

Nr. stoc RS: 230-9822 – Producător: RS PRO

Caracteristici tehnice

Modul de cameră Raspberry Pi, Pi NoIR, CSI-2 cu rezoluție 3280 x 2464 pixeli

Nr. stoc RS: 913-2673 – Producător: Raspberry Pi – Cod de producător: PiNoir Camera Module V2.1

Dispune de același senzor de imagine de 8 mega pixeli (precum camera standard Raspberry Pi) cu filtru de tăiere în infraroșu eliminat pentru a crește sensibilitatea la lumină IR. Pi NoIR este compatibil cu toate modelele Raspberry Pi și oferă înaltă definiție, sensibilitate ridicată, diafonie redusă și captură de imagini cu zgomot redus într-un design ultra mic și ușor. Modulul camerei se conectează la placa Raspberry Pi prin conectorul CSI care este capabil de viteze de date ridicate și transportă exclusiv datele pixelilor către procesor.

Caracteristici tehnice

Raspberry Pi PoE + placă

Nr. stoc RS: 221-1857 – Producător: Raspberry Pi – Cod de producător: SC0468

Raspberry Pi PoE+ HAT este un add-on pentru computerele Raspberry Pi cu pini PoE, inclusiv Raspberry Pi 3B+ și Raspberry Pi 4. Este folosit pentru alimentarea Raspberry Pi printr-un cablu Ethernet, cu condiția ca echipamentul de alimentare să fie instalat pe rețea Ethernet. HAT include și un ventilator care va răci procesorul Raspberry Pi.

Caracteristici tehnice

Kit de ventilație pentru răcire 52Pi Ultimate pentru Raspberry Pi

Nr. stoc RS: 202-0448 – Producător: 52Pi – Cod de producător: ZP-0037

Caracteristici generale:

• Compatibilitate cu Raspberry Pi 4B/3B+/3B/2B/B+
• Consum energetic redus
• Silențiozitate ridicată
• Ușor de instalat

Surse:
https://www.rs-online.com/designspark/measuring-thermocouples-with-the-mcc-134-and-raspberry-pi

https://ro.rsdelivers.com/product/digilent/6069-410-002/digilent-mcc-134-thermocouple-measurement-daq-hat/2306181?query=2306181&intcmp=RO-DS-_-DSAP-BP01-_-Apr-24-_-measuring-thermocouples-with-the-mcc-134-and-raspberry-pi_2306181

Autor: Bogdan Grămescu
Aurocon Compec – https://www.compec.ro