導(dǎo)言
MCC 134熱電偶具有成本低、使用方便、測量范圍廣等優(yōu)點，是一種常用的測溫方法。測量計算公司(MCC)在設(shè)計和制造精確的熱電偶數(shù)據(jù)采集裝置方面有著悠久的歷史。然而，設(shè)計一種在樹莓PI不受控制的環(huán)境中精確測量熱電偶的裝置是具有挑戰(zhàn)性的。本文解釋了精確測量熱電偶的困難，MCC 134數(shù)據(jù)采集卡是如何實現(xiàn)的，以及如何實現(xiàn)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(zhuǎn)化為電位差--一種被稱為Seebeck效應(yīng)的現(xiàn)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(chǎn)生不同的電位，所以電路中產(chǎn)生了一個可以測量的電壓。
不同的熱電偶在導(dǎo)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(nèi)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(nèi)的測量。
上面提到的溫度梯度稱為兩個結(jié)之間的溫差--感興趣點處的測量或熱結(jié)，以及測量裝置連接器塊上的基準(zhǔn)或冷結(jié)。
注：熱結(jié)指的是測量結(jié)，而不是它的溫度；這個結(jié)可能比基準(zhǔn)結(jié)或冷結(jié)溫度更熱或更冷。
熱電偶測量原理
熱電偶產(chǎn)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(jié)絕對溫度的方法是知道冷結(jié)的絕對溫度。
雖然較老的系統(tǒng)依賴于冰浴來實現(xiàn)已知的冷連接基準(zhǔn)，但現(xiàn)代熱電偶測量設(shè)備使用傳感器或多個傳感器來測量熱電偶連接到測量設(shè)備的終端塊(冷結(jié))。
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(zhǔn)或冷結(jié)溫度的測量。在現(xiàn)代24位測量裝置中，采用了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行了設(shè)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(biāo)準(zhǔn)K型和J型熱電偶的誤差可達(dá)±2.2°C，而T型熱電偶的誤差可達(dá)±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(zhǔn)確測量冷結(jié)，其中熱電偶連接到設(shè)備，可能是一個挑戰(zhàn)。在像DT MEASURpoint產(chǎn)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(jié)的一致性和測量的準(zhǔn)確性。在成本較低的設(shè)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(jié)溫度測量容易受到冷結(jié)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(shè)計挑戰(zhàn)
以更好地理解MCC 134，讓我們把它與MCC的高精度以太網(wǎng)連接熱電偶測量裝置的設(shè)計進(jìn)行比較。用模擬器件ADT 7310溫度傳感器測量了E-TC的冷結(jié)溫度。
集成電路傳感器的設(shè)計在MCC-E-TC中工作良好，因為測量環(huán)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(fù)載下工作。在E-TC的控制環(huán)境下，IC傳感器在準(zhǔn)確測量冷端溫度方面取得了很好的效果。
但是，當(dāng)MCC 134首先用IC傳感器來測量冷結(jié)溫度，在器件驗證過程中發(fā)現(xiàn)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(huán)境引起的大而不受控制的溫度梯度導(dǎo)致測量重復(fù)性差。
MCC用一種改進(jìn)的方案重新設(shè)計MCC 134，在保持低成本的同時提供了更好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。MCC沒有使用IC傳感器和一個終端塊，而是重新設(shè)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(shè)計的復(fù)雜性，熱敏電阻更準(zhǔn)確地跟蹤了冷結(jié)的溫度變化，即使在處理器負(fù)載和環(huán)境溫度變化的情況下也是如此。
這個設(shè)計產(chǎn)生了很好的結(jié)果，對不受控制的樹莓PI環(huán)境的影響要小得多。然而，即使有了這種新的設(shè)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(jié)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(huán)境條件下運行時，應(yīng)在最大熱電偶精度規(guī)格范圍內(nèi)取得結(jié)果。在溫度過高或氣流過大的情況下運行可能會影響結(jié)果。在大多數(shù)情況下，MCC 134將達(dá)到典型的規(guī)格。為了獲得最準(zhǔn)確的熱電偶讀數(shù)，MCC建議采取以下做法：
減少Raspberry PI處理器的負(fù)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?qū)⑦\行大約20℃的冷卻器。
盡量減少環(huán)境溫度變化。將MCC 134遠(yuǎn)離循環(huán)循環(huán)的熱源或冷卻源。突如其來的環(huán)境變化可能導(dǎo)致更多的錯誤。
提供穩(wěn)定的氣流，如風(fēng)扇。穩(wěn)定的氣流可以散熱，減少誤差。
當(dāng)在堆棧中配置多個MCC DAQ HATS時，將MCC 134最遠(yuǎn)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(yuǎn)的地方將提高精確度。
結(jié)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(zhǔn)確測量卻很困難。通過創(chuàng)新的設(shè)計和廣泛的測試，MCC克服了在不受控制的Raspberry PI環(huán)境下精確測量熱電偶的挑戰(zhàn)。MCC 134 DAQ HAT提供了使用快速增長、低成本計算平臺的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的能力。