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于树莓派的热电偶测量 HAT 模块



        使用热电偶来测量温度是一种较为普遍的方式，原因在于其成本较低、易于使用，且测量范围广。Measurement Computing Corp（MCC）在设计与构建用于测量热电偶的精确数据采集设备方面有着悠久的历史。在不可控的环境中，设计一种在树莓派上可精确测量热电偶的设备是十分困难的。本文阐述了在精确测量热电偶过程中遇到的难题，MCC 134 HAT 如何完成工作以及 MCC 134 的用户应如何将测量误差最小化。



        

        MCC 134



        热电偶是如何工作的

        热电偶是用于测量温度的一种传感器。它通过将温度梯度转化成电势差来工作，这种现象被称为塞贝克效应。热电偶由两种不同的金属线组成，它们的两端相互连接，各自形成一个节点。因为两种金属线在温度梯度上产生不同的电势，所以在电路感应中可测量出电压。通过测量回路中的电压就可得出该电势差值。



        在不同类型的热电偶中，金属线的连接情况也不尽相同，因此可在不同的温度范围内测量。例如，J 型热电偶由铁与康铜（铜－镍合金）组成，适合在－210℃与 1200℃间测量；而 T 型热电偶由铜与康铜组成，适合在－270℃与 400℃间测量。



        上述温度梯度是指两个节点之间的温度差 －－－ 测量点，即我们所关注的热端；参考点，为在测量设备处的冷端。



        注：热端指测量端，与该端的温度无关；它的真实温度可能会高于或低于参考点，即冷端温度。



        热电偶测量的基本原理



        



        热电偶产生与温度梯度相对应的电压，即热端与冷端之间的电势差。确定热端绝对温度的唯一方式是获取冷端的绝对温度。



        虽然较旧的系统依靠冰浴来实现冷端参考温度，但现代热电偶测量设备使用一个或多个传感器测量与其相连的终端（冷端）温度。



        热电偶测量的误差来源

        热电偶的测量有许多误差来源，包括噪声、线性误差与偏置误差，热电偶本身以及参考端或冷端的温度测量。现代的 24 位测量设备使用高精度的模数转换器（ADC），并采用设计实践以最小化噪声、线性误差与偏置误差。



        热电偶测量误差无法避免，但可以将其最小化。这种误差是由于使用的合金缺陷导致，因为它们在不同批次之间略有不同。某些热电偶本身就有着较小的误差。标准 K 型与 J 型热电偶的误差可高达±2．2℃，而 T 型热电偶的误差最多为±1℃。更加昂贵的热电偶（SLE－特殊误差限制）由质量较好的导线构成，可使这些误差降低一半。



        精确测量冷端，即热电偶与设备的连接处，是十分不易的。更加昂贵的仪器，如 DT MEASURpoint 系列产品，使用一种绝热金属板以保持冷端温度不变，并使得在高精度下的测量更加容易。对于较低成本的设备，绝热金属板过于昂贵。但若没有绝热金属板，是无法测量热电偶与铜制连接器接触点温度的。这导致冷端温度的测量极易受到其附近温度快速改变或功率情况的影响。



        MCC 134 的设计挑战

        为了更好地理解 MCC 134 的设计挑战，我们需将其与 MCC 受欢迎的 E－TC 系列产品作对比 －－－ 一种高精度以太网热电偶测量设备。E－TC 系列产品的冷端温度由模拟设备 ADT7310 IC 温度传感器测量。



        由于测量环境的可控与稳定，IC 传感器在 MCC E－TC 系列中工作良好。外部塑料盒用以控制气流、电路元件以及在恒定负载下工作的处理器。在 E－TC 的可控环境下，IC 传感器可以出色地精确测量冷端温度。



        然而，当第一次用 IC 传感器对 MCC 134 进行设计以测量冷端温度时，精度不够的问题在设备校验过程中尤为突出。IC 传感器不能放置在连接器模块附近，因为树莓派所导致的较大且不可控的温度梯度与外部环境会造成欠佳的测量可重复性。



        MCC 通过改进的方案重新设计了 MCC 134，该方案在保持低成本的同时提供了更好的准确性和可重复性。不同于使用 1 个 IC 传感器与 1 个终端模块，MCC 使用 2 个终端模块与 3 个热敏电阻对电路板进行了重新设计 －－－ 每一个热敏电阻都分别放置于终端模块的一侧（如下图所示）。虽然这增加了设计的难度，但即使在处理器的负载与环境温度发生改变的情况下，热敏电阻仍可以更精确地捕获冷端温度的变化。



        



        这种设计方式使测量结果几乎不受树莓派不可控环境的影响。但即使是新式的设计，某些因素也会影响测量精度。但用户可通过减少 MCC 134 上温度梯度的快速改变以改进测量结果。



        MCC 134 精确测量热电偶的最佳实践

        当在标准的环境下工作时，MCC 134 可实现热电偶的精度的最大化。剧烈的温度变化与气流变化会影响结果。多数情况下，MCC 134 将完成其典型规格。为了实现最高精度的热电偶读数，MCC 有以下实践建议：



        降低树莓派处理器上的负载。当运行程序的负载占据了树莓派处理器的 4 个内核时，其温度会上升至 70℃以上。运行仅加载 1 个内核的程序将在大约 20℃的温度下运行。



        将环境温度变化值最小化。使 MCC 134 远离循环往复的热源或冷却源。瞬间的温度变化可能导致误差增加。



        提供持续的空气流动，如风扇。稳定的空气流动可以散热并降低误差。



        将若干个 MCC HATs 配置于堆栈中时，将 MCC 134 放置于树莓派的最远端。由于树莓派是一个不可忽视的热源，因此将 MCC 134 放置于离其最远的地方将会增加精确度。



        结论

        热电偶提供了一种低成本且灵活的测量温度的方法，但精确测量热电偶是有难度的。通过创新设计和广泛测试，MCC 克服了使用树莓派时，不受控制的环境下精确测量热电偶的挑战。MCC 134 DAQ HAT 能够将标准热电偶与快速增长的低成本计算平台的需求配合使用。