使用Raspberry Pi?和MCC 134測量熱電偶

熱電偶是一種流行的溫度測量方法，因為它們成本低、易于使用且測量范圍廣。 本文解釋了進行精確熱電偶測量的困難、MCC 134 DAQ HAT 如何實現(xiàn)這一點，以及 MCC 134 用戶如何最大限度地減少測量誤差。

熱電偶的工作原理

熱電偶是用來測量溫度的傳感器。它的工作原理是將熱梯度轉換為電勢差——一種稱為塞貝克效應的現(xiàn)象。熱電偶由兩根不同金屬的導線制成，一端連接在一起，形成一個結點。由于兩條不同的金屬線在溫度梯度上產生不同的電勢，因此在電路中感應出一個可以測量的電壓。

不同的熱電偶類型在導線中具有不同的金屬組合，用于測量不同的溫度范圍。 例如，J 型熱電偶由鐵和康銅（銅鎳合金）制成，適用于 –210°C 至 1200 °C 范圍內的測量，而 T 型熱電偶由銅和康銅制成，適用于測量在 –270°C 至 400 °C 范圍內。

注意:熱端指的是測量端而不是它的溫度； 該結點可能比參考或冷結點溫度更熱或更冷。

熱電偶測量的基本原理

熱電偶產生與溫度梯度相關的電壓——即熱端和冷端之間的差異。 確定熱端絕對溫度的唯一方法是知道冷端的絕對溫度。

舊系統(tǒng)依靠冰浴來實現(xiàn)已知的冷端參考，而現(xiàn)代熱電偶測量設備使用一個傳感器或多個傳感器來測量熱電偶連接到測量設備的接線盒（冷端）。

熱電偶誤差的來源 熱電偶測量誤差有很多來源，包括噪聲、線性度和偏移誤差、熱電偶本身以及參考或冷端溫度的測量。 在現(xiàn)代 24 位測量設備中，使用高精度ADC，并實施設計實踐以最大限度地減少噪聲、線性度和偏移誤差。

熱電偶誤差無法避免，但可以最小化。此錯誤是由于所用合金的缺陷造成的，因為它們在批次之間略有不同。 某些熱電偶本身誤差較小。 標準 K 型和 J 型熱電偶的誤差高達 ±2.2 °C，而 T 型熱電偶的誤差高達 ±1 °C。 更昂貴的熱電偶（SLE - 特殊誤差限制）由更高等級的電線制成，可用于將這些誤差減少 2 倍。

準確測量熱電偶連接到設備的冷端可能是一個挑戰(zhàn)。 在 DTMEASURpoint 產品等更昂貴的儀器中，采用等溫金屬板來保持冷端的一致性，并且易于高精度測量。 在成本較低的設備中，等溫金屬塊成本過高，如果沒有等溫塊，則無法測量熱電偶和銅連接器之間精確接觸點的溫度。 這一事實使得冷端溫度測量容易受到由冷端附近快速變化的溫度或功率條件驅動的臨時誤差的影響。

MCC 134 設計上的挑戰(zhàn)

為了更好地理解 MCC 134 設計上的挑戰(zhàn)，讓我們將其與MCC 廣受歡迎的E-TC（一種高精度以太網連接熱電偶測量設備）的設計進行比較。E-TC 的冷端溫度由Analog Devices ADT7310 IC 溫度傳感器測量。

IC 傳感器設計在MCC E-TC 中運行良好，因為測量環(huán)境是受控且一致的。 外部塑料外殼控制氣流，電子元件和處理器在恒定負載下運行。 在E-TC 的受控環(huán)境中，IC 傳感器在精確測量冷端溫度方面表現(xiàn)出色。

然而，當 MCC 134 最初設計為帶有 IC傳感器以測量冷端溫度時，在設備驗證過程中很明顯精度不夠。 由于 IC 傳感器無法放置在離連接器塊足夠近的位置，RaspberryPi 和外部環(huán)境造成的大且不受控制的溫度梯度導致測量可重復性差。

MCC 通過改進的方案重新設計了MCC 134，該方案提供了更好的精度和可重復性，同時保持了較低的成本。MCC 沒有使用 IC傳感器和一個接線盒，而是重新設計了帶有兩個接線盒和三個熱敏電阻的電路板——一個位于接線盒的兩側和接線盒之間（如下所示）。 盡管這增加了設計的復雜性，但熱敏電阻可以更準確地跟蹤冷端的溫度變化，即使在處理器負載和環(huán)境溫度發(fā)生變化時也是如此。

這種設計產生了極好的結果，遠不易受不受控制的 Raspberry Pi 環(huán)境的影響。 然而，即使采用這種新設計，某些因素也會影響精度，用戶可以通過減少 MCC 134 上溫度梯度的快速變化來改善他們的測量結果。

使用 MCC 134 進行精確熱電偶測量的最佳實踐

在記錄的環(huán)境條件下運行時，MCC134 應在最大熱電偶精度規(guī)格范圍內實現(xiàn)結果。 在溫度瞬變或氣流過多的條件下運行可能會影響結果。 在大多數(shù)情況下，MCC 134 將達到典型規(guī)格。 為了獲得最準確的熱電偶讀數(shù)，MCC 推薦以下做法：

減少 Raspberry Pi 處理器的負載。 運行一個在 Raspberry Pi 處理器上完全加載所有 4 個內核的程序可以將處理器的溫度提高到 70°C 以上。 運行僅加載 1 個核心的程序將運行大約 20°C 的冷卻器。

盡量減少環(huán)境溫度變化。 將 MCC 134 放置在遠離循環(huán)開關的熱源或冷源的地方。 突然的環(huán)境變化可能導致錯誤增加。

提供穩(wěn)定的氣流，例如來自風扇的氣流。 穩(wěn)定的氣流可以散熱并減少錯誤。

在堆棧中配置多個 MCC DAQ Hats 時，將 MCC 134 放置在距離 Raspberry Pi 板最遠的位置。 由于 Raspberry Pi 是一個重要的熱源，將MCC 134 放置在離 Pi最遠的地方會提高準確性。

結論

熱電偶提供了一種低成本且靈活的溫度測量方法，但準確測量熱電偶很困難。 通過創(chuàng)新設計和大量測試，MCC 克服了在不受控制的Raspberry Pi 環(huán)境中準確測量熱電偶的挑戰(zhàn)。MCC 134 DAQ HAT 提供了將標準熱電偶與快速增長的低成本計算平臺結合使用的能力。

審核編輯：湯梓紅