熱電偶具有成本低、使用方便、測量范圍廣等優點，是一種常用的測溫方法。測量計算公司(MCC)在設計和制造精確的熱電偶數據采集裝置方面有著悠久的歷史。然而，設計一種在樹莓PI不受控制的環境中精確測量熱電偶的裝置是具有挑戰性的。

本文解釋了精確測量熱電偶的困難，MCC 134數據采集卡是如何實現的，以及如何實現的。MCC 134用戶可以最小化測量誤差。

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化為電位差--一種被稱為Seebeck效應的現象。熱電偶是由兩根電線組成，兩端有不同的金屬連接在一起，形成一個連接。由于兩根不同的金屬線在溫度梯度上產生不同的電位，所以電路中產生了一個可以測量的電壓。

不同的熱電偶在導線中有不同的金屬組合，用于測量不同的溫度范圍。例如，J型熱電偶由鐵和康斯坦坦(銅鎳合金)制成，適用于-210℃至1200℃范圍內的測量，而T型熱電偶則由銅和康斯坦坦制成，適用于-270°C至400°C范圍內的測量。

上面提到的溫度梯度稱為兩個結之間的溫差--感興趣點處的測量或熱結，以及測量裝置連接器塊上的基準或冷結。

注：熱結指的是測量結，而不是它的溫度；這個結可能比基準結或冷結溫度更熱或更冷。

熱電偶測量原理

熱電偶產生一個相對于溫度梯度的電壓--冷熱連接之間的差異。唯一確定熱結絕對溫度的方法是知道冷結的絕對溫度。

雖然較老的系統依賴于冰浴來實現已知的冷連接基準，但現代熱電偶測量設備使用傳感器或多個傳感器來測量熱電偶連接到測量設備的終端塊(冷結)。

熱電偶誤差源

熱電偶測量誤差來自于噪聲、線性和偏移誤差、熱電偶本身以及基準或冷結溫度的測量。在現代24位測量裝置中，采用了高精度模數轉換器，并進行了設計實踐，最大限度地減小了噪聲、線性度和偏置誤差。

熱電偶誤差是無法避免的，但可以最小化。這一錯誤是由于合金使用的不完美，因為它們在不同批次之間略有差異。某些熱電偶本身就有較少的誤差。標準K型和J型熱電偶的誤差可達±2.2°C，而T型熱電偶的誤差可達±1°C。更昂貴的熱電偶(SLE-誤差的特殊限制)是用更高等級的電線，可以用來減少這些誤差的2倍。

準確測量冷結，其中熱電偶連接到設備，可能是一個挑戰。在像DT MEASURpoint產品這樣更昂貴的儀器中，使用了一種等溫線金屬板來保持冷結的一致性和測量的準確性。在成本較低的設備中，等溫金屬塊的成本很高，如果沒有等熱塊，就不可能在熱電偶和銅連接器之間的確切接觸點測量溫度。這一事實使得冷結溫度測量容易受到冷結附近溫度或功率條件的快速變化所致的臨時誤差的影響。

MCC 134的設計挑戰

以更好地理解MCC 134，讓我們把它與MCC的高精度以太網連接熱電偶測量裝置的設計進行比較。用模擬器件ADT 7310溫度傳感器測量了E-TC的冷結溫度。

集成電路傳感器的設計在MCC-E-TC中工作良好，因為測量環境是可控和一致的。外部塑料外殼控制氣流，電子元件和處理器在恒定負載下工作。在E-TC的控制環境下，IC傳感器在準確測量冷端溫度方面取得了很好的效果。

但是，當MCC 134首先用IC傳感器來測量冷結溫度，在器件驗證過程中發現測量精度不高。由于IC傳感器不能足夠靠近連接器塊，由樹莓PI和外部環境引起的大而不受控制的溫度梯度導致測量重復性差。

MCC用一種改進的方案重新設計MCC 134，在保持低成本的同時提供了更好的準確性和可重復性。MCC沒有使用IC傳感器和一個終端塊，而是重新設計了帶有兩個端子塊和三個熱敏電阻的板--一個放在兩端和兩個端子之間(如下所示)。雖然這增加了設計的復雜性，熱敏電阻更準確地跟蹤了冷結的溫度變化，即使在處理器負載和環境溫度變化的情況下也是如此。

個設計產生了很好的結果，對不受控制的樹莓PI環境的影響要小得多。然而，即使有了這種新的設計，某些因素也會影響精度，并且用戶可以通過減少溫度梯度的快速變化來改善他們的測量結果。MCC 134.

使用MCC 134精確熱電偶測量的最佳實踐

MCC 134在記錄的環境條件下運行時，應在最大熱電偶精度規格范圍內取得結果。在溫度過高或氣流過大的情況下運行可能會影響結果。在大多數情況下，MCC 134將達到典型的規格。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個核心的程序，可以將處理器的溫度提高到70°C以上。運行一個只加載一個核心的程序將運行大約20℃的冷卻器。

盡量減少環境溫度變化。將MCC 134遠離循環循環的熱源或冷卻源。突如其來的環境變化可能導致更多的錯誤。

提供穩定的氣流，如風扇。穩定的氣流可以散熱，減少誤差。

當在堆棧中配置多個MCC DAQ HATS時，將MCC 134最遠離Raspberry PI板的位置放置在。由于樹莓PI是一個重要的熱源，將MCC 134放置在離PI最遠的地方將提高精確度。

結語

熱電偶提供了一種低成本、靈活的測溫方法，但熱電偶的準確測量卻很困難。通過創新的設計和廣泛的測試，MCC克服了在不受控制的Raspberry PI環境下精確測量熱電偶的挑戰。MCC 134 DAQ HAT提供了使用快速增長、低成本計算平臺的標準熱電偶的能力。