基于樹(shù)莓派 的熱電偶測(cè)量HAT模塊

使用熱電偶來(lái)測(cè)量溫度是一種較為普遍的方式，原因在于其成本較低、易于使用，且測(cè)量范圍廣。Measurement Computing  Corp（MCC）在設(shè)計(jì)與構(gòu)建用于測(cè)量熱電偶的精確數(shù)據(jù)采集設(shè)備方面有著悠久的歷史。在不可控的環(huán)境中，設(shè)計(jì)一種在樹(shù)莓派上可精確測(cè)量熱電偶的設(shè)備是十分困難的。本文闡述了在精確測(cè)量熱電偶過(guò)程中遇到的難題，MCC 134 HAT如何完成工作以及MCC 134的用戶應(yīng)如何將測(cè)量誤差最小化。

熱電偶是如何工作的

熱電偶是用于測(cè)量溫度的一種傳感器。它通過(guò)將溫度梯度轉(zhuǎn)化成電勢(shì)差來(lái)工作，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。熱電偶由兩種不同的金屬線組成，它們的兩端相互連接，各自形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閮煞N金屬線在溫度梯度上產(chǎn)生不同的電勢(shì)，所以在電路感應(yīng)中可測(cè)量出電壓。通過(guò)測(cè)量回路中的電壓就可得出該電勢(shì)差值。

在不同類型的熱電偶中，金屬線的連接情況也不盡相同，因此可在不同的溫度范圍內(nèi)測(cè)量。例如，J型熱電偶由鐵與康銅（銅-鎳合金）組成，適合在-210℃與1200℃間測(cè)量；而T型熱電偶由銅與康銅組成，適合在-270℃與400℃間測(cè)量。

上述溫度梯度是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的溫度差 --- 測(cè)量點(diǎn)，即我們所關(guān)注的熱端；參考點(diǎn)，為在測(cè)量設(shè)備處的冷端。

注：熱端指測(cè)量端，與該端的溫度無(wú)關(guān)；它的真實(shí)溫度可能會(huì)高于或低于參考點(diǎn)，即冷端溫度。

熱電偶測(cè)量的基本原理

熱電偶產(chǎn)生與溫度梯度相對(duì)應(yīng)的電壓，即熱端與冷端之間的電勢(shì)差。確定熱端絕對(duì)溫度的唯一方式是獲取冷端的絕對(duì)溫度。

雖然較舊的系統(tǒng)依靠冰浴來(lái)實(shí)現(xiàn)冷端參考溫度，但現(xiàn)代熱電偶測(cè)量設(shè)備使用一個(gè)或多個(gè)傳感器測(cè)量與其相連的終端（冷端）溫度。

熱電偶測(cè)量的誤差來(lái)源

熱電偶的測(cè)量有許多誤差來(lái)源，包括噪聲、線性誤差與偏置誤差，熱電偶本身以及參考端或冷端的溫度測(cè)量。現(xiàn)代的24位測(cè)量設(shè)備使用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并采用設(shè)計(jì)實(shí)踐以最小化噪聲、線性誤差與偏置誤差。

熱電偶測(cè)量誤差無(wú)法避免，但可以將其最小化。這種誤差是由于使用的合金缺陷導(dǎo)致，因?yàn)樗鼈冊(cè)诓煌沃g略有不同。某些熱電偶本身就有著較小的誤差。標(biāo)準(zhǔn)K型與J型熱電偶的誤差可高達(dá)±2.2℃，而T型熱電偶的誤差最多為±1℃。更加昂貴的熱電偶（SLE-特殊誤差限制）由質(zhì)量較好的導(dǎo)線構(gòu)成，可使這些誤差降低一半。

精確測(cè)量冷端，即熱電偶與設(shè)備的連接處，是十分不易的。更加昂貴的儀器，如DT MEASURpoint系列產(chǎn)品，使用一種絕熱金屬板以保持冷端溫度不變，并使得在高精度下的測(cè)量更加容易。對(duì)于較低成本的設(shè)備，絕熱金屬板過(guò)于昂貴。但若沒(méi)有絕熱金屬板，是無(wú)法測(cè)量熱電偶與銅制連接器接觸點(diǎn)溫度的。這導(dǎo)致冷端溫度的測(cè)量極易受到其附近溫度快速改變或功率情況的影響。

MCC 134的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

為了更好地理解MCC 134的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們需將其與MCC 受歡迎的E-TC系列產(chǎn)品作對(duì)比 --- 一種高精度以太網(wǎng)熱電偶測(cè)量設(shè)備。E-TC系列產(chǎn)品的冷端溫度由模擬設(shè)備ADT7310 IC溫度傳感器測(cè)量。

由于測(cè)量環(huán)境的可控與穩(wěn)定，IC傳感器在MCC E-TC系列中工作良好。外部塑料盒用以控制氣流、電路元件以及在恒定負(fù)載下工作的處理器。在E-TC的可控環(huán)境下，IC傳感器可以出色地精確測(cè)量冷端溫度。

然而，當(dāng)?shù)谝淮斡?span>IC 傳感器對(duì)MCC 134進(jìn)行設(shè)計(jì)以測(cè)量冷端溫度時(shí)，精度不夠的問(wèn)題在設(shè)備校驗(yàn)過(guò)程中尤為突出。IC 傳感器不能放置在連接器模塊附近，因?yàn)闃?shù)莓派所導(dǎo)致的較大且不可控的溫度梯度與外部環(huán)境會(huì)造成欠佳的測(cè)量可重復(fù)性。

MCC通過(guò)改進(jìn)的方案重新設(shè)計(jì)了MCC 134，該方案在保持低成本的同時(shí)提供了更好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。不同于使用1個(gè)IC傳感器與1個(gè)終端模塊，MCC使用2個(gè)終端模塊與3個(gè)熱敏電阻對(duì)電路板進(jìn)行了重新設(shè)計(jì) --- 每一個(gè)熱敏電阻都分別放置于終端模塊的一側(cè)（如下圖所示）。雖然這增加了設(shè)計(jì)的難度，但即使在處理器的負(fù)載與環(huán)境溫度發(fā)生改變的情況下，熱敏電阻仍可以更精確地捕獲冷端溫度的變化。

這種設(shè)計(jì)方式使測(cè)量結(jié)果幾乎不受樹(shù)莓派不可控環(huán)境的影響。但即使是新式的設(shè)計(jì)，某些因素也會(huì)影響測(cè)量精度。但用戶可通過(guò)減少MCC 134上溫度梯度的快速改變以改進(jìn)測(cè)量結(jié)果。

MCC 134精確測(cè)量熱電偶的最佳實(shí)踐

當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下工作時(shí)，MCC 134可實(shí)現(xiàn)熱電偶的精度的最大化。劇烈的溫度變化與氣流變化會(huì)影響結(jié)果。多數(shù)情況下，MCC 134將完成其典型規(guī)格。為了實(shí)現(xiàn)最高精度的熱電偶讀數(shù)，MCC有以下實(shí)踐建議：

降低樹(shù)莓派處理器上的負(fù)載。當(dāng)運(yùn)行程序的負(fù)載占據(jù)了樹(shù)莓派處理器的4個(gè)內(nèi)核時(shí)，其溫度會(huì)上升至70℃以上。運(yùn)行僅加載1個(gè)內(nèi)核的程序?qū)⒃诖蠹s20℃的溫度下運(yùn)行。

將環(huán)境溫度變化值最小化。使MCC 134遠(yuǎn)離循環(huán)往復(fù)的熱源或冷卻源。瞬間的溫度變化可能導(dǎo)致誤差增加。

提供持續(xù)的空氣流動(dòng)，如風(fēng)扇。穩(wěn)定的空氣流動(dòng)可以散熱并降低誤差。

將若干個(gè)MCC HATs配置于堆棧中時(shí)，將MCC 134放置于樹(shù)莓派的最遠(yuǎn)端。由于樹(shù)莓派是一個(gè)不可忽視的熱源，因此將MCC 134放置于離其最遠(yuǎn)的地方將會(huì)增加精確度。

結(jié)論

熱電偶提供了一種低成本且靈活的測(cè)量溫度的方法，但精確測(cè)量熱電偶是有難度的。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和廣泛測(cè)試，MCC克服了使用樹(shù)莓派時(shí)，不受控制的環(huán)境下精確測(cè)量熱電偶的挑戰(zhàn)。MCC 134 DAQ HAT能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)熱電偶與快速增長(zhǎng)的低成本計(jì)算平臺(tái)的需求配合使用。