熱電偶是一種流行的溫度測量方法，因?yàn)樗鼈兂杀镜汀⒁子谑褂们覝y量范圍廣。 本文解釋了進(jìn)行精確熱電偶測量的困難、MCC 134 DAQ HAT 如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(zhuǎn)換為電勢差——一種稱為塞貝克效應(yīng)的現(xiàn)象。熱電偶由兩根不同金屬的導(dǎo)線制成，一端連接在一起，形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)。由于兩條不同的金屬線在溫度梯度上產(chǎn)生不同的電勢，因此在電路中感應(yīng)出一個(gè)可以測量的電壓。

不同的熱電偶類型在導(dǎo)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(nèi)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(nèi)。

注意:熱端指的是測量端而不是它的溫度； 該結(jié)點(diǎn)可能比參考或冷結(jié)點(diǎn)溫度更熱或更冷。

熱電偶測量的基本原理

熱電偶產(chǎn)生與溫度梯度相關(guān)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(shí)現(xiàn)已知的冷端參考，而現(xiàn)代熱電偶測量設(shè)備使用一個(gè)傳感器或多個(gè)傳感器來測量熱電偶連接到測量設(shè)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(shè)備中，使用高精度ADC，并實(shí)施設(shè)計(jì)實(shí)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(cuò)誤是由于所用合金的缺陷造成的，因?yàn)樗鼈冊谂沃g略有不同。 某些熱電偶本身誤差較小。 標(biāo)準(zhǔn) K 型和 J 型熱電偶的誤差高達(dá) ±2.2 °C，而 T 型熱電偶的誤差高達(dá) ±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(zhǔn)確測量熱電偶連接到設(shè)備的冷端可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。 在 DTMEASURpoint 產(chǎn)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(shè)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(diǎn)的溫度。 這一事實(shí)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(qū)動的臨時(shí)誤差的影響。

MCC 134 設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)

為了更好地理解 MCC 134 設(shè)計(jì)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(wǎng)連接熱電偶測量設(shè)備）的設(shè)計(jì)進(jìn)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(shè)計(jì)在MCC E-TC 中運(yùn)行良好，因?yàn)闇y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(fù)載下運(yùn)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(dāng) MCC 134 最初設(shè)計(jì)為帶有 IC傳感器以測量冷端溫度時(shí)，在設(shè)備驗(yàn)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(dǎo)致測量可重復(fù)性差。

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

這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極好的結(jié)果，遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，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(jié)果。

使用 MCC 134 進(jìn)行精確熱電偶測量的最佳實(shí)踐

在記錄的環(huán)境條件下運(yùn)行時(shí)，MCC134 應(yīng)在最大熱電偶精度規(guī)格范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。 在溫度瞬變或氣流過多的條件下運(yùn)行可能會影響結(jié)果。 在大多數(shù)情況下，MCC 134 將達(dá)到典型規(guī)格。 為了獲得最準(zhǔn)確的熱電偶讀數(shù)，MCC 推薦以下做法：

減少 Raspberry Pi 處理器的負(fù)載。 運(yùn)行一個(gè)在 Raspberry Pi 處理器上完全加載所有 4 個(gè)內(nèi)核的程序可以將處理器的溫度提高到 70°C 以上。 運(yùn)行僅加載 1 個(gè)核心的程序?qū)⑦\(yùn)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(yuǎn)離循環(huán)開關(guān)的熱源或冷源的地方。 突然的環(huán)境變化可能導(dǎo)致錯(cuò)誤增加。

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

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

結(jié)論

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

審核編輯：湯梓紅