熱電偶因其成本低、易于使用和測量范圍廣而成為一種流行的溫度測量方法。Measurement Computing Corp (MCC) 在設計和構建用于測量熱電偶的精確 DAQ 設備方面擁有悠久的歷史。然而，設計一種能夠在 Raspberry Pi 不受控制的環境中準確測量熱電偶的設備具有挑戰性。本文解釋了進行精確熱電偶測量的困難、MCC 134 DAQ HAT 如何完成它，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

熱電偶是一種用于測量溫度的傳感器。它的工作原理是將熱梯度轉換為電勢差——這種現象被稱為塞貝克效應。熱電偶由兩根導線組成，其中不同的金屬在一端連接在一起，形成一個結。由于兩條不同的金屬線會在溫度梯度上產生不同的電勢，因此在電路中會產生可測量的電壓。

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。

上面提到的熱梯度被稱為兩個結之間的溫差 - 感興趣點的測量或熱結，以及測量設備連接器塊的參考或冷結。

注：熱結點是指測量結點而不是其溫度；此結可能比參考或冷結溫度更熱或更冷。

熱電偶測量基礎

熱電偶產生一個相對于溫度梯度的電壓 - 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。

雖然較舊的系統依靠冰浴來實現已知的冷端參考，但現代熱電偶測量設備使用一個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

熱電偶測量誤差有多種來源，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。在現代 24 位測量設備中，使用高精度 ADC，并實施設計實踐以最小化噪聲、線性度和偏移誤差。

熱電偶誤差無法避免，但可以最小化。這個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。某些熱電偶固有的誤差較小。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。在 DT MEASURpoint 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，并易于以良好的精度進行測量。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，就不可能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電源條件驅動的臨時誤差的影響。

在MCC 134的設計挑戰，

為了更好地理解的設計挑戰MCC 134，讓我們把它比作MCC流行的E-TC的設計-高精度以太網連接的熱電偶測量設備。E-TC 的冷端溫度由 ADI 公司的 ADT7310 IC 溫度傳感器測量。

IC 傳感器設計在 MCC E-TC 中運行良好，因為測量環境是可控且一致的。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 的受控環境中，IC 傳感器在準確測量冷端溫度方面表現出色。

然而，當MCC 134最初設計有 IC 傳感器來測量冷端溫度時，在設備驗證過程中很明顯精度不夠。由于 IC 傳感器無法靠近連接器塊放置，由 Raspberry Pi 和外部環境引起的大且不受控制的溫度梯度導致測量可重復性較差。

MCC 使用改進的方案重新設計了 MCC 134，該方案提供更好的精度和可重復性，同時保持較低的成本。MCC 沒有使用 IC 傳感器和一個接線端子，而是重新設計了帶有兩個接線端子和三個熱敏電阻的電路板——一個放置在接線端子的兩側和中間（如下所示）。盡管這增加了設計的復雜性，但熱敏電阻更準確地跟蹤冷端的溫度變化，即使在處理器負載和環境溫度變化期間也是如此。

這種設計產生了極好的結果，而且對不受控制的 Raspberry Pi 環境的影響要小得多。然而，即使采用這種新設計，某些因素也會影響精度，用戶可以通過減少跨MCC 134 的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

在記錄的環境條件下運行時，MCC 134 應在最大熱電偶精度規格范圍內獲得結果。在溫度瞬變或氣流過大的條件下運行可能會影響結果。在大多數情況下，MCC 134 將達到典型規格。為了獲得最準確的熱電偶讀數，MCC 建議采取以下做法：

減少 Raspberry Pi 處理器的負載。在 Raspberry Pi 處理器上運行一個完全加載所有 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。

盡量減少環境溫度變化。將 MCC 134 遠離循環打開和關閉的熱源或冷卻源。突然的環境變化可能會導致錯誤增加。

提供穩定的氣流，例如來自風扇的氣流。穩定的氣流可以散熱并減少錯誤。

在堆棧中配置多個 MCC DAQ Hat 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 最遠的位置會提高準確性。

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。通過創新設計和廣泛測試，MCC 克服了在不受控制的 Raspberry Pi 環境中準確測量熱電偶的挑戰。MCC 134 DAQ HAT 能夠將標準熱電偶與快速增長的低成本計算平臺結合使用。