IIoT マシン監視用の熱電対と Raspberry Pi

DAQ デバイスは、Raspberry Pi 環境で熱電対を正確に測定できます。 その方法は次のとおりです。 この記事は、2021 年 3 月の電子ブック InTech Focus: 温度と圧力から抜粋したものです。

最先端のモノのインターネット (IoT) テクノロジーと高度な分析は、予知保全を可能にするため、プロセスの最適化と産業機械の効率向上にますます使用されています。 この形式の資産管理で分析されるデータには、多くの場合、温度測定が含まれます。 そして、これらの分析を実行するための計算能力は、Raspberry Pi ベースの IoT デバイスによって提供されることが増えています。Raspberry Pi は、Raspberry Pi Foundation が Broadcom と協力して英国で開発した一連の小型シングルボード コンピューターです。 Raspberry Pi プロジェクトは当初、学校や発展途上国で基礎的なコンピューター サイエンスを教えることに焦点を当てていましたが、Raspberry Pi の基盤が拡大していることは、コンピューター ボードが産業オートメーション アプリケーション、特に IIoT デバイスとしてますます活用されていることを意味します。 オープンソースの C/C++ および Python を使用すると、ユーザーは Linux 上でアプリケーションを開発できます。熱電対は温度を測定する一般的な方法ですが、Raspberry Pi 環境で熱電対を正確に測定するデータ収集 (DAQ) デバイスを設計および構築するのは困難です。 この記事では、正確な熱電対測定を行うことの難しさ、MCC 134 DAQ HAT がそれを実現する方法、およびマシンの状態を監視するために IIoT デバイスで MCC 134 がどのように使用されているかについて説明します。

熱電対は、温度を測定するために使用されるセンサーです。 これは、熱勾配を電位差に変換することによって機能します。これはゼーベック効果として知られる現象です。 熱電対は、異種金属を一端で結合して接点を形成した 2 本のワイヤで構成されています。 2 つの異なる金属ワイヤが温度勾配にわたって異なる電位を生成するため、測定可能な電圧が回路内に誘導されます。異なるタイプの熱電対ではワイヤ内の金属の組み合わせが異なり、異なる温度範囲の測定に使用されます。 たとえば、J タイプ熱電対は鉄とコンスタンタン (銅とニッケルの合金) で作られており、-210 °C ～ 1200 °C の範囲での測定に適しています。一方、T タイプ熱電対は銅とコンスタンタンで作られており、測定に適しています。 –270°C ～ 400°C の範囲。上記の熱勾配は、2 つの接点 (対象点の測定または温接点と、対象点の基準または冷接点) 間の温度差と呼ばれます。測定装置のコネクタブロック (図 1)。 熱接点は測定接点を指し、その温度ではないことに注意してください。 この接点は、基準温度または冷接点温度よりも高温または低温である可能性があります。熱電対は、温度勾配 (熱接点と冷接点の差) に応じて電圧を生成します。 熱接点の絶対温度を決定する唯一の方法は、冷接点の絶対温度を知ることです。古いシステムは既知の冷接点基準を実装するために氷浴に依存していましたが、最新の熱電対測定デバイスは 1 つまたは複数のセンサーを使用して測定します熱電対が測定装置に接続される端子台 (冷接点)。

熱電対の測定誤差は、ノイズ、直線性、オフセット誤差など、さまざまな原因によって発生します。 熱電対自体。 基準温度または冷接点温度の測定。 最新の 24 ビット測定デバイスでは、高精度 ADC が使用され、ノイズ、直線性、オフセット誤差を最小限に抑えるための設計手法が実装されています。熱電対誤差は避けることはできませんが、最小限に抑えることは可能です。 この誤差は、バッチごとにわずかに異なるため、使用される合金の不完全性が原因です。 特定の熱電対は本質的に誤差が少ないものがあります。 標準のタイプ K および J 熱電対には最大 ±2.2 °C の誤差がありますが、タイプ T 熱電対には最大 ±1 °C の誤差があります。 より高価な熱電対 (特別誤差限界 [SLE]) は高級ワイヤで作られており、これを使用すると誤差を 2 分の 1 に減らすことができます。熱電対がデバイスに接続される冷接点を正確に測定するのは難しい場合があります。 。 DT MEASURpoint 製品のようなより高価な機器では、冷接点の一貫性を維持し、高精度での測定を容易にするために等温金属プレートが採用されています。低コストのデバイスでは、等温金属ブロックのコストが法外に高く、等温ブロックがなければ測定は不可能です。熱電対と銅コネクタ間の正確な接触点の温度を測定します。 このため、冷接点温度測定は、急速に変化する温度や冷接点付近の電力状態によって引き起こされる一時的な誤差に対して脆弱になります。

MCC 134 の設計上の課題をよりよく理解するために、MCC の人気のある E-TC (高精度のイーサネット接続熱電対測定デバイス) の設計と比較できます。 E-TC の冷接点温度は、Analog Devices の ADT7310 IC 温度センサーによって測定されます。測定環境が制御され、一貫しているため、IC センサー設計は MCC E-TC で適切に機能します。 外側のプラスチックケースが空気の流れを制御し、電子コンポーネントとプロセッサーが一定の負荷で動作します。 E-TC の制御された環境では、IC センサーは冷接点温度を正確に測定する優れた機能を果たします。しかし、冷接点温度を測定するために MCC 134 が最初に IC センサーを使用して設計されたとき、精度は不十分でした。 IC センサーをコネクタ ブロックに十分近づけることができなかったため、Raspberry Pi と外部環境によって引き起こされる大きく制御されない温度勾配が測定の再現性の低下につながりました。そこで、MCC 134 は精度が大幅に向上した改善されたスキームで再設計されました。コストを抑えながら再現性を高めます。 IC センサーと 1 つの端子台を使用する代わりに、MCC は、図 2 に示すように、2 つの端子台と 3 つのサーミスタを端子ブロックの両側と端子台の間に配置して基板を再設計しました。これにより、設計が複雑になりましたが、サーミスターは、プロセッサーの負荷や環境温度が変化している間でも、冷接点の温度変化をより正確に追跡します。 この設計は、制御されていない Raspberry Pi 環境の影響をはるかに受けにくい優れた結果をもたらします。MCC 134 は、文書化された環境条件内で動作する場合、熱電対の最大精度仕様内の結果を達成する必要があります。 特定の要因が依然として精度に影響を与えるため、ユーザーは MCC 134 全体の温度勾配の急激な変化を減らし、他のベスト プラクティスに従うことで測定結果を改善できます。

Thinaer ヘルス使用状況監視システム (HUMS) は、マシニング センター、CNC 機械、フライス盤、エンジンからデータを収集し、このデータを使用して監視、使用状況レポート、予知保全のための「常時稼働」ソリューションを提供します。 Thinaer の IoT プラットフォームは、マシン データと人間のフィードバックを統合し、MCC と Thinaer のハードウェアとソフトウェアを組み合わせて使用​​して、温度、位置、振動、電圧、圧力、電流などのリアルタイムのマシン データをキャプチャします。Thinaer システムは、通信する Raspberry Pi ノードを使用します。 Bluetooth Low Energy 経由のスマート センサーを使用します。 ただし、これらのスマート センサーには、より適切な分析に必要な高精度の温度データや高速振動データがありません。Thinaer の解決策は、MCC 134 熱電対測定 HAT (ボックスを参照) を使用して温度 (および温度) を測定することでした。 MCC 172 IEPE 測定 HAT を使用して振動を測定し、正確な測定、分析、戦略を作成するために必要なデータを収集します。また、積み重ね可能な DAQ HAT により、Thinaer はプラットフォームを変更したり、内部ハードウェアの開発や組み立てを行うことなく拡張することができます。 このシステムは、提供された C および Python ライブラリを使用して、データを継続的にマルチ HAT で取得できるようにプログラムされました。MCC テクノロジを使用することで、Thinaer は時間と労力の両方を節約できました。 MCC DAQ HAT は既存のシステム エンクロージャに簡単に適合し、既製の設計により、Thinaer はカスタムの社内ソリューションを開発する必要がなくなりました。

熱電対は、温度を測定するための低コストで柔軟な方法を提供しますが、熱電対を正確に測定することは困難です。 MCC は、革新的な設計と広範なテストを通じて、制御されていない Raspberry Pi 環境で熱電対を正確に測定するという課題を克服しました。 MCC 134 DAQ HAT は、急速に成長する低コストのコンピューティング プラットフォームで標準の熱電対を使用する機能を提供します。

Raspberry Pi 用 MCC 134 熱電対測定 HAT は、人気の低コスト コンピューターに高品質の温度測定機能をもたらします。 このデバイスには、J、K、R、S、T、N、E、B などの最も一般的な TC タイプを測定できる 4 つの熱電対 (TC) 入力があります。各チャネル タイプはチャネルごとに選択できます。 MCC 134 は 24 ビットの解像度とプロ仕様の精度を備えています。 オープン熱電対検出により、ユーザーは熱電対の破損または切断を監視できます。 最大 8 つの MCC HAT を 1 つの Raspberry Pi にスタックできます。 すでに入手可能な MCC 118、8 チャンネル電圧測定 HAT、MCC 152 電圧出力およびデジタル I/O HAT を使用すると、ユーザーはアナログ入力、出力、およびデジタル I/O を備えた多機能の Pibased ソリューションを構成できます。この記事は、 2021 年 3 月の InTech フォーカス: 温度と圧力。

Steve Radecky は、Measurement Computing のマーケティング エンジニアです。 Measurement Computing は、使いやすく、統合しやすく、サポートしやすいデータ収集デバイスを設計および製造しています。 付属のソフトウェア オプションは広範囲にわたり、プログラマと非プログラマの両方に提供されています。 ご質問がある場合、またはさらに詳しい情報が必要な場合は、Measurement Computing Corporation までお問い合わせください: (508) 946-5100 または [email protected]

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