Raspberry Pi® と MCC 134 で

熱電対は、低コストで使いやすく、測定範囲が広いため、温度を測定する一般的な方法です。 この記事では、正確な熱電対測定を行う際の難しさ、MCC 134 DAQ HAT がそれを達成する方法、および MCC 134 ユーザーが測定誤差を最小限に抑える方法について説明します。

熱電対の仕組み

熱電対は、温度を測定するために使用されるセンサーです。 これは、ゼーベック効果として知られる現象である、温度勾配を電位差に変換することによって機能します。 熱電対は、異種金属を一方の端で接合した 2 本のワイヤでできており、ジャンクションを形成しています。 2 つの異なる金属ワイヤが温度勾配に対して異なる電位を生成するため、測定可能な電圧が回路に誘導されます。

熱電対のタイプが異なれば、ワイヤ内の金属の組み合わせも異なり、さまざまな温度範囲の測定に使用されます。 たとえば、J タイプの熱電対は鉄とコンスタンタン (銅-ニッケル合金) で作られ、-210 °C ～ 1200 °C の範囲での測定に適しています。一方、T タイプの熱電対は銅とコンスタンタンで作られ、測定に適しています。 –270 °C ～ 400 °C の範囲で。

前述の温度勾配は、2 つのジャンクション間の温度差として参照されます。対象のポイントでの測定またはホット ジャンクションと、測定デバイス コネクタ ブロックでのリファレンスまたはコールド ジャンクションです。

注: ホット ジャンクションは測定ジャンクションを指し、その温度ではありません。 この接合部は、基準または冷接点温度よりも高温または低温である可能性があります。

熱電対測定の基礎

熱電対は、温度勾配 (温接点と冷接点の差) に関連する電圧を生成します。 熱接点の絶対温度を決定する唯一の方法は、冷接点の絶対温度を知ることです。

古いシステムは既知の冷接点基準を実装するためにアイスバスに依存していましたが、最新の熱電対測定デバイスは、センサーまたは複数のセンサーを使用して、熱電対が測定デバイスに接続される端子ブロック (冷接点) を測定します。

熱電対誤差の原因

熱電対の測定誤差は、ノイズ、直線性、オフセット誤差、熱電対自体、基準温度または冷接点温度の測定など、多くの原因から生じます。 最新の 24 ビット測定デバイスでは、高精度の ADC が使用され、ノイズ、直線性、およびオフセット エラーを最小限に抑える設計手法が実装されています。

熱電対の誤差は避けられませんが、最小限に抑えることはできます。 このエラーは、バッチごとにわずかに異なるため、使用される合金の欠陥によるものです。 特定の熱電対は、本質的に誤差が少なくなります。 標準タイプ K および J 熱電対の誤差は最大 ±2.2 °C ですが、タイプ T 熱電対の誤差は最大 ±1 °C です。 より高価な熱電対 (SLE – Special Limits of Error) は、よりグレードの高いワイヤで作られ、これらの誤差を 2 分の 1 に減らすために使用できます。

熱電対がデバイスに接続する冷接点を正確に測定することは、困難な場合があります。 DT MEASURpoint 製品のようなより高価な機器では、等温金属プレートを使用して冷接点を一定に保ち、精度の高い測定を容易にします。 低コストのデバイスでは、等温金属ブロックは法外なコストであり、等温ブロックがないと、熱電対と銅コネクタ間の正確な接触点で温度を測定することはできません。 この事実により、冷接点温度測定は、冷接点付近の温度または電力条件の急速な変化によって引き起こされる一時的なエラーに対して脆弱になります。

MCC 134 の設計課題

MCC 134の設計上の課題をよりよく理解するために、MCC の人気のある E-TC (高精度のイーサネット接続熱電対測定デバイス) の設計と比較してみましょう。 E-TC の冷接点温度は、Analog Devices ADT7310 IC 温度センサーによって測定されます。

IC センサー設計は、測定環境が制御され、一貫しているため、MCC E-TC でうまく機能します。 外側のプラスチックケースが空気の流れを制御し、電子部品とプロセッサは一定の負荷で動作します。 E-TC の制御された環境では、IC センサーは冷接点温度を正確に測定する優れた機能を果たします。

しかし、冷接点温度を測定する IC センサーを搭載した MCC 134 が最初に設計されたとき、デバイスの検証プロセス中に精度が不十分であることが明らかになりました。 IC センサーをコネクタ ブロックに十分に近づけることができなかったため、Raspberry Pi と外部環境によって引き起こされる大きくて制御されていない温度勾配により、測定の再現性が低下しました。

MCC は MCC 134 を再設計し、コストを低く抑えながら精度と再現性を大幅に向上させる改良された方式を採用しました。 IC センサーと 1 つの端子ブロックを使用する代わりに、MCC は 2 つの端子ブロックと 3 つのサーミスターを備えた基板を再設計しました。 これにより設計が複雑になりましたが、プロセッサの負荷や環境温度が変化しても、サーミスタは冷接点の温度変化をより正確に追跡しました。

この設計は、制御されていない Raspberry Pi 環境の影響をはるかに受けにくい優れた結果をもたらします。 ただし、この新しい設計でも、特定の要因が精度に影響を与えるため、ユーザーは MCC 134 全体の温度勾配の急激な変化を減らすことで測定結果を改善できます。

MCC 134 を使用した正確な熱電対測定のベスト プラクティス

MCC 134 は、文書化された環境条件内で動作する場合、最大熱電対精度仕様内で結果を達成する必要があります。 過度の温度変化や空気の流れがある状態で操作すると、結果に影響を与える可能性があります。 ほとんどの場合、MCC 134 は典型的な仕様を実現します。 最も正確な熱電対の読み取りを実現するために、MCC は次の方法を推奨します：

• Raspberry Pi プロセッサの負荷を軽減します。 Raspberry Pi プロセッサの 4 つのコアすべてを完全にロードするプログラムを実行すると、プロセッサの温度が 70 °C を超えることがあります。 1 つのコアのみをロードするプログラムを実行すると、約 20 °C 低温で動作します。
• 環境温度の変動を最小限に抑えます。 MCC 134 は、オンとオフを繰り返す熱源または冷却源から離して配置してください。急激な環境の変化は、エラーの増加につながる可能性があります。
• 扇風機などから安定した空気の流れを提供します。安定した気流は、熱を放散し、エラーを減らすことができます。
• 複数の MCC DAQ Hat をスタックに構成する場合は、MCC 134 を Raspberry Pi ボードから最も離れた場所に配置します。 Raspberry Pi は大きな熱源であるため、MCC 134 を Pi から最も遠くに配置すると精度が向上します。

結論

熱電対は、温度を測定するための低コストで柔軟な方法を提供しますが、熱電対を正確に測定することは困難です。 MCC は、革新的な設計と広範なテストを通じて、制御されていない Raspberry Pi 環境で熱電対を正確に測定するという課題を克服しました。 MCC 134 DAQ HAT は、急速に成長している低コストのコンピューティング プラットフォームで標準の熱電対を使用する機能を提供します。

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