使用RaspberryPi?和MCC 134測量熱電偶
熱電偶的成本低，易于使用且測量范圍廣，因此是一種流行的溫度測量方法。Measurement Computing Corp（MCC）在設計和制造用于測量熱電偶的精確DAQ設備方面有著悠久的歷史。但是，設計一種在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。本文介紹了進行準確的熱電偶測量時的困難，MCC 134 DAQ HAT如何完成測量以及MCC 134用戶如何最大程度地減少測量誤差。
熱電偶的工作原理
熱電偶是用于測量溫度的傳感器。它通過將熱梯度轉換為電勢差來工作-這種現象被稱為塞貝克效應。熱電偶是由兩條不同金屬線組成，它們的一端連接在一起，形成一個結。由于兩條不同的金屬線在整個溫度梯度上會產生不同的電勢，因此會在電路中感應出可以測量的電壓。
不同類型的熱電偶在導線中具有不同的金屬組合，并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，適合在–210°C至1200°C的范圍內進行測量，而T型熱電偶則由銅和康銅制成，并且適用于測量在–270°C至400°C的范圍內。
上面提到的熱梯度稱為兩個結點之間的溫差-感興趣點處的測量結點或熱結點，以及測量設備連接器塊處的參考結點或冷結點。
注意：熱結點是指測量結點，而不是其溫度；熱結點是指測量結點。該結可能比參考溫度或冷結溫度高或低。
熱電偶的測量基礎
熱電偶會產生一個相對于溫度梯度的電壓-溫度梯度介于熱結點和冷結點之間。確定熱結的絕對溫度的唯一方法是知道冷結的絕對溫度。
較早的系統依靠冰浴來實現已知的冷端基準，而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
熱電偶的測量誤差來自許多來源，包括噪聲，線性度和失調誤差，熱電偶本身以及基準溫度或冷端溫度的測量值。在現代的24位測量設備中，使用了高精度ADC，并且實施了設計實踐，以最大程度地減小噪聲，線性度和失調誤差。
無法避免熱電偶誤差，但是可以將其最小化。該錯誤是由于所使用的合金的缺陷而引起的，因為它們之間的批次之間略有不同。某些熱電偶固有地具有較小的誤差。標準的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。
Accurately measuring the cold junction, where the thermocouples connect to the device, can be a challenge. In more expensive instruments like the DT MEASURpoint products, an iso-thermal metal plate is employed to keep the cold-junction consistent and easy to measure with good accuracy. In lower cost devices, isothermal metal blocks are cost prohibitive, and without an iso-thermal block it is not possible to measure the temperature at the exact point of contact between the thermocouple and the copper connector. This fact makes the cold junction temperature measurement vulnerable to temporary error driven by quickly changing temperatures or power conditions near the cold junction.
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，因為測量環境是受控且一致的。塑料外殼控制氣流，電子組件和處理器在恒定負載下運行。在E-TC的受控環境中，IC傳感器在精確測量冷端溫度方面發揮了出色的作用。
但是，當MCC 134最初設計有一個IC傳感器來測量冷端溫度時，在設備驗證過程中就明顯發現精度不足。由于無法將IC傳感器放置在離連接器塊足夠近的位置，因此，由Raspberry Pi和外部環境引起的較大且不受控制的溫度梯度會導致不良的測量可重復性。
MCC用改進的方案重新設計了MCC 134，該方案提供了更好的準確性和可重復性，同時保持了較低的成本。MCC重新設計了帶有兩個接線端子和三個熱敏電阻的電路板，而不是使用IC傳感器和一個接線端子（一個位于端子接線板的兩側和中間）（如下所示）。盡管這增加了設計的復雜性，但即使在處理器負載和環境溫度變化期間，熱敏電阻也能更準確地跟蹤冷端的溫度變化。
這種設計產生了出色的結果，幾乎不受不受控制的Raspberry Pi環境影響。但是，即使采用這種新設計，某些因素也會影響精度，并且用戶可以通過減少MCC 134上溫度梯度的快速變化來改善其測量結果。
使用MCC 134進行準確的熱電偶測量的最佳實踐
當在記錄的環境條件下操作時，MCC 134應在最大熱電偶精度規格范圍內獲得結果。在瞬態溫度過高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建議采取以下措施：
減輕Raspberry Pi處理器的負擔。運行在Raspberry Pi處理器上完全加載所有4個內核的程序，會使處理器的溫度升高到70°C以上。運行僅加載1個內核的程序將在大約20°C的溫度下運行。
最小化環境溫度變化。將MCC 134放置在遠離熱源或冷卻源的地方，這些源會不斷循環打開和關閉。突然的環境變化可能導致錯誤增加。
提供穩定的氣流，例如通過風扇。穩定的氣流可以散發熱量并減少錯誤。
在堆疊中配置多個MCC DAQ帽子時，請將MCC 134置于距Raspberry Pi板最遠的位置。由于Raspberry Pi是重要的熱源，因此將MCC 134放置在距離Pi最遠的位置會提高精度。
結論
熱電偶提供了一種低成本，靈活的溫度測量方法，但是要準確地測量熱電偶卻很困難。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環境中準確測量熱電偶的挑戰。MCC 134 DAQ HAT能夠與快速增長的低成本計算平臺一起使用標準熱電偶。