Los MCC 134 termopares son una forma popular de medir la temperatura debido a su bajo costo, facilidad de uso y amplio rango de medición. En Logicbus tiene una gran cantidad de diseño y modelos de dispositivos DAQ precisos para medir termopares. Sin embargo, el diseño de un dispositivo que mide con precisión los termopares en el entorno no controlado de la Raspberry Pi fue un desafío. Este artículo explica las dificultades para realizar mediciones precisas de termopares, cómo lo logra el MCC 134 DAQ HAT y cómo los usuarios de MCC 134 pueden minimizar los errores de medición.
Cómo funcionan los termopares
Un termopar es un sensor que se usa para medir la temperatura. Funciona al convertir los gradientes térmicos en diferencia de potencial eléctrico, un fenómeno conocido como el efecto Seebeck. Un termopar está hecho de dos cables con metales diferentes unidos en un extremo, creando una unión. Debido a que dos cables metálicos diferentes crean potenciales eléctricos diferentes en un gradiente de temperatura, se induce un voltaje en el circuito que se puede medir.
Los diferentes tipos de termopares tienen diferentes combinaciones de metal en los cables y se utilizan para medir diferentes rangos de temperatura. Por ejemplo, los termopares tipo J están hechos con hierro y constantán (aleación de cobre-níquel) y son adecuados para mediciones en el rango de –210 ° C a 1200 ° C, mientras que los termopares tipo T están hechos con cobre y constantan y son adecuados para mediciones en el rango de –270 ° C a 400 ° C.
El gradiente térmico, mencionado anteriormente, se conoce como la diferencia de temperatura entre las dos uniones: la medición o la unión caliente en el punto de interés, y la referencia o la unión fría en el bloque conector del dispositivo de medición.
Nota: la unión caliente se refiere a la unión de medición y no a su temperatura; esta unión puede ser más caliente o más fría que la temperatura de referencia o fría.
Fundamentos de medición de termopares
Los termopares producen un voltaje relativo al gradiente de temperatura, la diferencia entre la unión caliente y fría. La única forma de determinar la temperatura absoluta de la unión caliente es conocer la temperatura absoluta de la unión fría.
Mientras que los sistemas más antiguos confiaban en los baños de hielo para implementar una referencia de unión fría conocida, los dispositivos modernos de medición de termopares utilizan un sensor o sensores múltiples para medir el bloque de terminales (unión fría) donde los termopares se conectan al dispositivo de medición.
Fuentes de los errores del termopar
El error de medición del termopar proviene de muchas fuentes, incluidos el ruido, la linealidad y el error de compensación, el termopar en sí mismo y la medición de la temperatura de referencia o de la unión fría. En los dispositivos de medición modernos de 24 bits, se utilizan ADC de alta precisión, y se implementan prácticas de diseño para minimizar los errores de ruido, linealidad y desplazamiento.
El error del termopar no se puede evitar, pero se puede minimizar. Este error se debe a las imperfecciones en las aleaciones utilizadas, ya que varían ligeramente de un lote a otro. Ciertos termopares inherentemente tienen menos error. Los termopares tipo K y J estándar tienen un error de hasta ± 2.2 ° C, mientras que los termopares tipo T tienen un error de hasta ± 1 ° C. Los termopares más costosos (SLE – Límites especiales de error) se hacen con un cable de mayor grado y se pueden usar para reducir estos errores por un factor de 2.
Medir con precisión la unión fría, donde los termopares se conectan al dispositivo, puede ser un desafío. En instrumentos más caros como los productos DT MEASURpoint, se emplea una placa de metal iso-térmica para mantener la unión fría consistente y fácil de medir con buena precisión. En dispositivos de menor costo, los bloques de metal isotérmicos tienen un costo prohibitivo, y sin un bloque iso-térmico no es posible medir la temperatura en el punto exacto de contacto entre el termopar y el conector de cobre. Este hecho hace que la medición de la temperatura de la unión fría sea vulnerable a un error temporal debido a cambios rápidos de temperatura o condiciones de energía cerca de la unión fría.
Desafíos de diseño del MCC 134
Para comprender mejor los desafíos de diseño del MCC 134 , comparémoslo con el diseño del popular E-TC de MCC: un dispositivo de medición de termopar conectado por Ethernet de alta precisión. La temperatura de unión fría del E-TC se mide con el sensor de temperatura IC de Analog Devices ADT7310.
El diseño del sensor IC funciona bien en el E-TC porque el entorno de medición es controlado y consistente. La caja de plástico exterior controla el flujo de aire y los componentes electrónicos y los procesadores funcionan con una carga constante. En un entorno controlado del E-TC, el sensor IC realiza un excelente trabajo de medición precisa de la temperatura de la unión fría.
Sin embargo, cuando el MCC 134 se diseñó por primera vez con un sensor IC para medir la temperatura de la unión fría, se hizo evidente durante el proceso de validación del dispositivo que la precisión era insuficiente. Debido a que el sensor IC no se pudo colocar lo suficientemente cerca del bloque del conector, los gradientes de temperatura grandes y no controlados causados por la Raspberry Pi y el entorno externo llevaron a una repetibilidad de medición pobre.
El nuevo rediseñó del MCC 134, cuento con un esquema mejorado que proporciona una precisión y repetibilidad mucho mejores, al tiempo que mantiene el costo bajo. En lugar de utilizar un sensor IC y un bloque de terminales, se adapto la placa con dos bloques de terminales y tres termistores, uno colocado a cada lado y entre los bloques de terminales (que se muestra a continuación). Si bien esto agregó complejidad al diseño, los termistores rastrearon con mayor precisión los cambios de temperatura de la unión fría, incluso durante los cambios en la carga del procesador y la temperatura ambiental.
Este diseño produce excelentes resultados que son mucho menos susceptibles al entorno Raspberry Pi no controlado. Sin embargo, incluso con este nuevo diseño, ciertos factores afectan la precisión, y los usuarios pueden mejorar los resultados de sus mediciones al reducir los cambios rápidos en los gradientes de temperatura en todo el MCC 134 .
Mejores prácticas para realizar mediciones precisas de termopares con el MCC 134
El MCC 134 logra resultados dentro de las especificaciones de precisión del termopar máximo cuando se opera dentro de las condiciones ambientales documentadas. El funcionamiento en condiciones con transitorios de temperatura excesivos o flujo de aire puede afectar los resultados. En la mayoría de los casos, el MCC 134 logrará las especificaciones típicas. Para lograr las lecturas de termopares más precisas, se recomienda las siguientes prácticas:
- Reducir la carga en el procesador Raspberry Pi . La ejecución de un programa que carga completamente los 4 núcleos en el procesador Raspberry Pi puede elevar la temperatura del procesador a más de 70 ° C. La ejecución de un programa que solo carga 1 núcleo funcionará con un enfriador de aproximadamente 20 ° C.
- Minimizar las variaciones de temperatura ambiental . Coloque el MCC 134 lejos de fuentes de calor o enfriamiento que enciendan y apaguen el ciclo. Los cambios ambientales repentinos pueden llevar a un aumento de errores.
- Proporcionar un flujo de aire constante, como de un ventilador . Un flujo de aire constante puede disipar el calor y reducir los errores.
- Cuando configure múltiples MCC DAQ Hats en una pila, coloque el MCC 134 más alejado de la placa Raspberry Pi . Dado que la Raspberry Pi es una fuente de calor importante, colocar el MCC 134 más alejado de la Pi aumentará la precisión.
Conclusión
Los termopares proporcionan una forma económica y flexible de medir la temperatura, pero medir los termopares con precisión es difícil. A través del diseño innovador y las pruebas exhaustivas, MCC superó el desafío de medir los termopares con precisión en el entorno incontrolado de Raspberry Pi. El MCC 134 DAQ HAT ofrece la capacidad de usar termopares estándar con la plataforma informática de rápido crecimiento y bajo costo.
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