基于樹莓派熱電偶測量 HAT 模塊
 
使用熱電偶來測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,且測量范圍廣。Measurement Computing Corp(MCC)在設計與構建用于測量熱電偶的精確數據采集設備方面有著悠久的歷史。在不可控的環境中,設計一種在樹莓派上可精確測量熱電偶的設備是十分困難的。本文闡述了在精確測量熱電偶過程中遇到的難題,MCC 134 HAT 如何完成工作以及 MCC 134 的用戶應如何將測量誤差最小化。
 
MCC 134
 
熱電偶是如何工作的
熱電偶是用于測量溫度的一種傳感器。它通過將溫度梯度轉化成電勢差來工作,這種現象被稱為塞貝克效應。熱電偶由兩種不同的金屬線組成,它們的兩端相互連接,各自形成一個節點。因為兩種金屬線在溫度梯度上產生不同的電勢,所以在電路感應中可測量出電壓。通過測量回路中的電壓就可得出該電勢差值。
 
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測量。例如,J 型熱電偶由鐵與康銅(銅-鎳合金)組成,適合在-210℃與 1200℃間測量;而 T 型熱電偶由銅與康銅組成,適合在-270℃與 400℃間測量。
 
上述溫度梯度是指兩個節點之間的溫度差 --- 測量點,即我們所關注的熱端;參考點,為在測量設備處的冷端。
 
注:熱端指測量端,與該端的溫度無關;它的真實溫度可能會高于或低于參考點,即冷端溫度。
 
熱電偶測量的基本原理
 
 
熱電偶產生與溫度梯度相對應的電壓,即熱端與冷端之間的電勢差。確定熱端絕對溫度的唯一方式是獲取冷端的絕對溫度。
 
雖然較舊的系統依靠冰浴來實現冷端參考溫度,但現代熱電偶測量設備使用一個或多個傳感器測量與其相連的終端(冷端)溫度。
 
熱電偶測量的誤差來源
熱電偶的測量有許多誤差來源,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量?,F代的 24 位測量設備使用高精度的模數轉換器(ADC),并采用設計實踐以最小化噪聲、線性誤差與偏置誤差。
 
熱電偶測量誤差無法避免,但可以將其最小化。這種誤差是由于使用的合金缺陷導致,因為它們在不同批次之間略有不同。某些熱電偶本身就有著較小的誤差。標準 K 型與 J 型熱電偶的誤差可高達±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)由質量較好的導線構成,可使這些誤差降低一半。
 
精確測量冷端,即熱電偶與設備的連接處,是十分不易的。更加昂貴的儀器,如 DT MEASURpoint 系列產品,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量更加容易。對于較低成本的設備,絕熱金屬板過于昂貴。但若沒有絕熱金屬板,是無法測量熱電偶與銅制連接器接觸點溫度的。這導致冷端溫度的測量極易受到其附近溫度快速改變或功率情況的影響。
 
MCC 134 的設計挑戰
為了更好地理解 MCC 134 的設計挑戰,我們需將其與 MCC 受歡迎的 E-TC 系列產品作對比 --- 一種高精度以太網熱電偶測量設備。E-TC 系列產品的冷端溫度由模擬設備 ADT7310 IC 溫度傳感器測量。
 
由于測量環境的可控與穩定,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載下工作的處理器。在 E-TC 的可控環境下,IC 傳感器可以出色地精確測量冷端溫度。
 
然而,當第一次用 IC 傳感器對 MCC 134 進行設計以測量冷端溫度時,精度不夠的問題在設備校驗過程中尤為突出。IC 傳感器不能放置在連接器模塊附近,因為樹莓派所導致的較大且不可控的溫度梯度與外部環境會造成欠佳的測量可重復性。
 
MCC 通過改進的方案重新設計了 MCC 134,該方案在保持低成本的同時提供了更好的準確性和可重復性。不同于使用 1 個 IC 傳感器與 1 個終端模塊,MCC 使用 2 個終端模塊與 3 個熱敏電阻對電路板進行了重新設計 --- 每一個熱敏電阻都分別放置于終端模塊的一側(如下圖所示)。雖然這增加了設計的難度,但即使在處理器的負載與環境溫度發生改變的情況下,熱敏電阻仍可以更精確地捕獲冷端溫度的變化。
 
 
這種設計方式使測量結果幾乎不受樹莓派不可控環境的影響。但即使是新式的設計,某些因素也會影響測量精度。但用戶可通過減少 MCC 134 上溫度梯度的快速改變以改進測量結果。
 
MCC 134 精確測量熱電偶的最佳實踐
當在標準的環境下工作時,MCC 134 可實現熱電偶的精度的最大化。劇烈的溫度變化與氣流變化會影響結果。多數情況下,MCC 134 將完成其典型規格。為了實現最高精度的熱電偶讀數,MCC 有以下實踐建議:
 
降低樹莓派處理器上的負載。當運行程序的負載占據了樹莓派處理器的 4 個內核時,其溫度會上升至 70℃以上。運行僅加載 1 個內核的程序將在大約 20℃的溫度下運行。
 
將環境溫度變化值最小化。使 MCC 134 遠離循環往復的熱源或冷卻源。瞬間的溫度變化可能導致誤差增加。
 
提供持續的空氣流動,如風扇。穩定的空氣流動可以散熱并降低誤差。
 
將若干個 MCC HATs 配置于堆棧中時,將 MCC 134 放置于樹莓派的最遠端。由于樹莓派是一個不可忽視的熱源,因此將 MCC 134 放置于離其最遠的地方將會增加精確度。
 
結論
熱電偶提供了一種低成本且靈活的測量溫度的方法,但精確測量熱電偶是有難度的。通過創新設計和廣泛測試,MCC 克服了使用樹莓派時,不受控制的環境下精確測量熱電偶的挑戰。MCC 134 DAQ HAT 能夠將標準熱電偶與快速增長的低成本計算平臺的需求配合使用。