Prototyping and metrological characterization of a sensor 4.0

This thesis proposes the prototyping and the metrological characterization of a low cost, compact and high performing Sensor 4.0; this smart sensor is an evolution carried out from a precedent data acquisition system called TechSHRUB. The smart sensor architecture is based on the development Board Lolin D1 mini by WeMos (based on the microcontroller ESP-8266EX) to which is connected an Analog to Digital Converter module to acquire analogue signals provided by any analogue transducer, such as thermocouples, resistance thermometers, strain gauges, accelerometers, etc. The sensor elaboration unit is based on the micro-computer Raspberry Pi 3B+: to this device, up to four measurement points can be connected. The acquisition parameters of each measurement point can be set by means of a Graphic User Interface realized through a mobile Android Application. The data can be processed directly on the node, then they can be stored or sent to a database or in the Cloud making the Sensor 4.0 compliant to the paradigm of Edge Computing. Different tests are shown: a preliminary test about the acquisition and calibration of a load cell with the old version of the data acquisition system; the analysis of the error on the sampling rate to perform the compensation on the time scale in the signal reconstruction; finally, a metrological characterization of the noise and sampling rate of the smart sensor was carried out with respect to temperature variation. To achieve this result, it was necessary the design and implementation of a temperature controlled chamber, which is a 20x16x18 cm container where the internal temperature is controlled by two Peltier cells with forced convection heat transfer; the system for controlling the voltage on the Peltier cells are formed by an Arduino UNO board, a PWM board, and an H-bridge bidirectional board. In addition, the design of the ON-OFF and PID temperature controllers is presented.

Questa tesi propone la prototipazione e la caratterizzazione metrologica di un Sensore 4.0 a basso costo, compatto e ad alte prestazioni; questo sensore intelligente è un'evoluzione effettuata da un precedente sistema di acquisizione dati chiamato TechSHRUB. L'architettura è basata sulla scheda di sviluppo Lolin D1 mini di WeMos (governata dal microcontrollore ESP-8266EX) a cui è collegato un modulo convertitore da analogico a digitale per acquisire segnali analogici forniti da qualsiasi trasduttore analogico, come termocoppie, termometri a resistenza, estensimetri, accelerometri, ecc. L'unità di elaborazione del sensore si basa sul microcomputer Raspberry Pi 3B+ a cui è possibile collegare fino a quattro punti di misura. I parametri di acquisizione di quest’ultimi possono essere impostati per mezzo di un'interfaccia grafica realizzata tramite un'applicazione per dispositivi mobili Android. I dati possono essere elaborati direttamente sul nodo, quindi possono essere archiviati o inviati ad un database o nel Cloud, rendendo il Sensore 4.0 conforme al paradigma dell’Edge Computing. Sono stati eseguiti diversi test: un test preliminare sull'acquisizione e la calibrazione di una cella di carico utilizzando una precedente versione del sistema di acquisizione dati; l'analisi dell'errore sulla frequenza di campionamento in modo tale da poter eseguire una compensazione sulla scala temporale durante la ricostruzione del segnale; Infine, è stata effettuata una caratterizzazione metrologica del rumore e della frequenza di campionamento del sensore intelligente rispetto alla variazione di temperatura. Per ottenere questo risultato, è stata necessaria la progettazione e l'implementazione di una camera a temperatura controllata, ossia un contenitore di 20x16x18 cm in cui la temperatura interna è controllata per mezzo di due celle Peltier con trasferimento di calore a convezione forzata; il sistema per controllare la tensione di alimentazione sulle celle Peltier è composto da una scheda Arduino UNO, una scheda PWM e una scheda ponte H bidirezionale. Inoltre, viene presentato il design dei regolatori ON-OFF e PID per il controllo della temperatura.