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使用 Raspberry Pi® 和 MCC 134 测量热电偶

吃瓜阿阳

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热电偶是一种流行的温度测量方法,因为它们成本低、易于使用且测量范围广。本文解释了进行精确热电偶测量的困难、MCC 134 DAQ HAT 如何实现这一点,以及 MCC 134 用户如何最大限度地减少测量误差。

热电偶的工作原理

热电偶是用来测量温度的传感器。 它的工作原理是将热梯度转换为电势差——一种称为塞贝克效应的现象。 热电偶由两根不同金属的导线制成,一端连接在一起,形成一个结点。 由于两条不同的金属线在温度梯度上产生不同的电势,因此在电路中感应出一个可以测量的电压。

不同的热电偶类型在导线中具有不同的金属组合,用于测量不同的温度范围。 例如,J 型热电偶由铁和康铜(铜镍合金)制成,适用于 –210 °C 至 1200 °C 范围内的测量,而 T 型热电偶由铜和康铜制成,适用于测量在 –270 °C 至 400 °C 范围内。

上面提到的热梯度指的是两个结之间的温差——感兴趣点处的测量或热结,以及测量设备连接器块处的参考或冷结。

注意: 热端指的是测量端而不是它的温度; 该结点可能比参考或冷结点温度更热或更冷。

热电偶测量的基本原理

热电偶产生与温度梯度相关的电压——即热端和冷端之间的差异。 确定热端绝对温度的唯一方法是知道冷端的绝对温度。

旧系统依靠冰浴来实现已知的冷端参考,而现代热电偶测量设备使用一个传感器或多个传感器来测量热电偶连接到测量设备的接线盒(冷端)。

热电偶误差的来源

热电偶测量误差有很多来源,包括噪声、线性度和偏移误差、热电偶本身以及参考或冷端温度的测量。 在现代 24 位测量设备中,使用高精度 ADC,并实施设计实践以最大限度地减少噪声、线性度和偏移误差。

热电偶误差无法避免,但可以最小化。 此错误是由于所用合金的缺陷造成的,因为它们在批次之间略有不同。 某些热电偶本身误差较小。 标准 K 型和 J 型热电偶的误差高达 ±2.2 °C,而 T 型热电偶的误差高达 ±1 °C。 更昂贵的热电偶(SLE – 特殊误差限制)由更高等级的电线制成,可用于将这些误差减少 2 倍。

准确测量热电偶连接到设备的冷端可能是一个挑战。 在 DT MEASURpoint 产品等更昂贵的仪器中,采用等温金属板来保持冷端的一致性,并且易于高精度测量。 在成本较低的设备中,等温金属块成本过高,如果没有等温块,则无法测量热电偶和铜连接器之间精确接触点的温度。 这一事实使得冷端温度测量容易受到由冷端附近快速变化的温度或功率条件驱动的临时误差的影响。

MCC 134 设计上的挑战

为了更好地理解 MCC 134 设计上的挑战,让我们将其与 MCC 广受欢迎的 E-TC(一种高精度以太网连接热电偶测量设备)的设计进行比较。 E-TC 的冷端温度由 Analog Devices ADT7310 IC 温度传感器测量。

IC 传感器设计在 MCC E-TC 中运行良好,因为测量环境是受控且一致的。 外部塑料外壳控制气流,电子元件和处理器在恒定负载下运行。 在 E-TC 的受控环境中,IC 传感器在精确测量冷端温度方面表现出色。

然而,当 MCC 134 最初设计为带有 IC 传感器以测量冷端温度时,在设备验证过程中很明显精度不够。 由于 IC 传感器无法放置在离连接器块足够近的位置,Raspberry Pi 和外部环境造成的大且不受控制的温度梯度导致测量可重复性差。

MCC 通过改进的方案重新设计了 MCC 134,该方案提供了更好的精度和可重复性,同时保持了较低的成本。 MCC 没有使用 IC 传感器和一个接线盒,而是重新设计了带有两个接线盒和三个热敏电阻的电路板——一个位于接线盒的两侧和接线盒之间(如下所示)。 尽管这增加了设计的复杂性,但热敏电阻可以更准确地跟踪冷端的温度变化,即使在处理器负载和环境温度发生变化时也是如此。

这种设计产生了极好的结果,远不易受不受控制的 Raspberry Pi 环境的影响。 然而,即使采用这种新设计,某些因素也会影响精度,用户可以通过减少 MCC 134 上温度梯度的快速变化来改善他们的测量结果。

使用 MCC 134 进行精确热电偶测量的最佳实践

在记录的环境条件下运行时,MCC 134 应在最大热电偶精度规格范围内实现结果。 在温度瞬变或气流过多的条件下运行可能会影响结果。 在大多数情况下,MCC 134 将达到典型规格。 为了获得最准确的热电偶读数,MCC 推荐以下做法:

– 减少 Raspberry Pi 处理器的负载。 运行一个在 Raspberry Pi 处理器上完全加载所有 4 个内核的程序可以将处理器的温度提高到 70 °C 以上。 运行仅加载 1 个核心的程序将运行大约 20 °C 的冷却器。
– 尽量减少环境温度变化。 将 MCC 134 放置在远离循环开关的热源或冷源的地方。 突然的环境变化可能导致错误增加。
– 提供稳定的气流,例如来自风扇的气流。 稳定的气流可以散热并减少错误。
– 在堆栈中配置多个 MCC DAQ Hats 时,将 MCC 134 放置在距离 Raspberry Pi 板最远的位置。 由于 Raspberry Pi 是一个重要的热源,将 MCC 134 放置在离 Pi 最远的地方会提高准确性。

结论

热电偶提供了一种低成本且灵活的温度测量方法,但准确测量热电偶很困难。 通过创新设计和大量测试,MCC 克服了在不受控制的 Raspberry Pi 环境中准确测量热电偶的挑战。 MCC 134 DAQ HAT 提供了将标准热电偶与快速增长的低成本计算平台结合使用的能力。

如需更多支持,可以在 https://forum.digilent.com/ 论坛上找到厂家的工程师。

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