對樹莓派和熱電偶的低成本溫度測量技術(shù)的研究

Measurement Computing Corp(MCC)在設(shè)計與構(gòu)建用于測量熱電偶的精確數(shù)據(jù)采集設(shè)備方面有著悠久的歷史。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。在不可控的環(huán)境中，設(shè)計一種在樹莓派上可精確測量熱電偶的設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)化成電勢差來工作，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，各自形成一個節(jié)點。因為兩種金屬線在溫度梯度上產(chǎn)生不同的電勢，所以在電路感應(yīng)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(nèi)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(jié)點之間的溫度差 --- 測量點，即我們所關(guān)注的熱端;參考點，為在測量設(shè)備處的冷端。

注：熱端指測量端，與該端的溫度無關(guān);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(chǎn)生與溫度梯度相對應(yīng)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(tǒng)依靠冰浴來實現(xiàn)冷端參考溫度，但現(xiàn)代熱電偶測量設(shè)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(xiàn)代的24位測量設(shè)備使用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，并采用設(shè)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(dǎo)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(zhì)量較好的導(dǎo)線構(gòu)成，可使這些誤差降低一半。

精確測量冷端，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量更加容易。對于較低成本的設(shè)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(dǎo)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(shè)計挑戰(zhàn)

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

由于測量環(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量冷端溫度。

然而，當?shù)谝淮斡肐C 傳感器對MCC 134進行設(shè)計以測量冷端溫度時，精度不夠的問題在設(shè)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(dǎo)致的較大且不可控的溫度梯度與外部環(huán)境會造成欠佳的測量可重復(fù)性。

MCC通過改進的方案重新設(shè)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(fù)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(shè)計 --- 每一個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)計的難度，但即使在處理器的負載與環(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)計方式使測量結(jié)果幾乎不受樹莓派不可控環(huán)境的影響。但即使是新式的設(shè)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(jié)果。

MCC 134精確測量熱電偶的最佳實踐

當在標準的環(huán)境下工作時，MCC 134可實現(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。為了實現(xiàn)最高精度的熱電偶讀數(shù)，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(jù)了樹莓派處理器的4個內(nèi)核時，其溫度會上升至70℃以上。運行僅加載1個內(nèi)核的程序?qū)⒃诖蠹s20℃的溫度下運行。

將環(huán)境溫度變化值最小化。使MCC 134遠離循環(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，如風扇。穩(wěn)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(jié)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(chuàng)新設(shè)計和廣泛測試，MCC克服了使用樹莓派時，不受控制的環(huán)境下精確測量熱電偶的挑戰(zhàn)。MCC 134 DAQ HAT能夠?qū)藴薀犭娕寂c快速增長的低成本計算平臺的需求配合使用。