詳細分析熱電偶溫度測量和故障排除

這是一個實際的故障排除指南

       當兩種不同的金屬連接時形成熱電偶（TC）。產生非常小的電壓，其取決于接頭的溫度，通常為40微伏/攝氏度，因此在200℃下，電壓將為約8mV。

       注意，一個重要的點是，不能測量單個熱電偶！由于在測試引線連接處，形成至少一個熱電偶，其傾向于抵消第一熱電偶。如果兩個形成的熱電偶處于相同的溫度，則凈輸出電壓將為零。

       這里是一個使用康銅和銅的簡單示例：從銅線開始，加入康銅線創建第一個接點，然后在康銅線另一端連接第二個銅線，形成第二個接點?，F在，兩端的兩根導線都是銅和銅測試導線可以連接而不形成額外的結。

       標準程序是將接頭中的一個保持在已知溫度，例如浸入具有熔融冰的水中以獲得零攝氏度參考。通過測量輸出電壓并查找轉換表或使用數學公式，可以找到另一個“熱”結的溫度。 “冷”結和“熱”結之間的差異總是測量的凈電壓

       由于輸出電壓非常低并且不是線性的，通常使用放大信號并將其線性化的集成電路。一個常見的是Analog Devices的AD597，它與“K”型熱電偶一起使用。

       如上所述，我們不能有單個結，因此形成額外結，其中測量TC連接到轉換IC。如果該額外結的溫度是已知的，則可以補償該電壓，并且可以找到測量TC的溫度。

       通常使用單獨的溫度傳感器來找到界面溫度。顯然，TC不能使用，因此使用熱敏電阻，半導體或其他溫度傳感器類型來找到“冷”端溫度。在AD597的情況下，有一個內部溫度傳感器。

       來自轉換IC的輸出電壓是相對于“熱”TC結溫度的線性化函數。該電壓通常由可以與微控制器（在這種情況下為Arduino）集成的模數轉換器（A-D）測量。

系統描述：

       在Ultimaker的情況下，在擠出機處連接有加熱器塊的熱電偶。兩個TC引線連接到擠出機頂部的非常小的印刷電路板。這是形成額外結的地方。在端子條處的這些結將緊密地處于與接口IC相同的溫度并因此被補償。線性輸出信號連接到Ultimaker PCB，然后將信號饋送到具有內部A-D轉換器的Arduino Mega 2560控制器板。

溫度測量：

       容易測量液體的溫度。只需將玻璃溫度計插入正確的深度并攪拌液體或使用其他類型的探頭記住攪拌。由于兩個原因，很難精確地測量小物體的溫度：測量探頭通常通過傳導熱量來改變小物體的溫度，并且即使不是這樣，探針也被物體加熱，但是同時它被環境溫度冷卻，因此很少測量正確的溫度。差的熱接觸進一步加劇了這個問題。

       紅外測溫儀取決于發射常數和輻射表面條件，因此具有有限的精度。

       使用肉類溫度計或其他帶有長金屬套管的探頭是壞的，因為它們接觸不良，并且探頭有很多環境冷卻。我看到一個聰明的建議：取下擠出機噴嘴，將探頭插入擠出機筒，以獲得良好的熱接觸。

       為了驗證溫度，測試儀器應該是準確的，這是顯而易見的，但往往被遺忘。在實際使用溫度下檢查所有詳細規格。

       傳感器應盡可能小，以避免環境冷卻效應，如果可能，傳感器引線應纏繞在物體周圍，以防止它們冷卻測量傳感器。通常使用“導熱油脂”來獲得更好的接觸。

       要檢查傳感器，有幾個校準選項或多或少方便：0°C的冰浴和100°C的開水。使用Google了解如何準確地創建兩個浴室。 63/37％焊料在183℃熔化，因此是另一個參考點，最終純錫在231.9℃熔化

溫度問題：

       有很多，方式太多，評論與Ultimaker擠出機的溫度誤差。我認為許多溫度誤差報告是由以下原因造成的：

        間歇性斷開和/或短路接線。

        我還懷疑許多報告的溫度誤差通常是測量誤差。由于IR不準確并且溫度探針通常不能正確接觸并且通過測量引線的熱傳導將影響讀數，所以準確測量溫度是非常困難的。

        我也看到很多關于Ultimaker溫度測量設計的投訴，但我認為這是好的，沒有固有的問題。

我的系統有一個奇怪的問題：

       TC輸入連接通常使用在接口PCB上內部接地的隔離TC或使用PCB上具有“浮置”輸入的外部接地TC。所有TC供應商都提供這兩種類型。我的TC部分接地，Ultimaker技術支持聲稱是正常的。我不這么認為。我從來沒有見過一個部分接地的TC，將無法從任何我以前使用的來源購買一個。由于輸入在接口PCB上接地，TC應浮置。

      無論如何，在大多數情況下它發生工作良好，因為加熱器塊是電浮動（絕緣），但如果加熱器接地或電源電壓接觸加熱器筒有任何問題，它將給出大的溫度誤差或破壞接口IC 。

       作為設計工作的證明，我仔細測量了我的Ultimaker的頭部溫度，使用兩個不同的高質量的K型熱電偶和兩個不同的米。在具有穩定沉降溫度的210℃的設定溫度下獲取所有讀數。兩個TC都正確地栓接到加熱器鋁塊并纏繞在加熱器塊周圍以減少引線導電誤差。

       米＃1：Fluke 52 TC＃1 209.4℃TC＃2 209.1℃

       儀器＃2：Extech 42525 TC＃1 210℃TC＃2 209℃

       Fluke最大誤差@ 210C為+/- 0.4C，TC最大誤差為+/- 1.1C，因此在最壞情況下的測量精度為+/- 1.5°C，通常為+/- 1°C。

       所以看來我的Ultimaker按預期工作，所有四個測量值都在設定值的1攝氏度以內。我不知道其他UM如何執行，因為這是一個單一的樣本測量。正如我之前提到的，一個正確設計的TC測量設置應該非常好。

       注意，AD597的規格為+/- 4°C，但通常今天的IC比最壞情況的規格要好得多。 TC也通常好于+/- 1°C，所以我預計最終溫度通常在+/- 3度左右，假設在Arduino的內部電壓測量是好的，但我沒有任何有關其精度的信息。

故障排除=分裂與征服

       在沒有任何設備的情況下可以發現一些錯誤，但我建議獲得DVM（實際上是一個萬用表，以允許電阻和電流測量）。遲早或稍后它將需要一些故障排除。今天的數字儀表通常非常精確，即使是低成本的，所以沒有必要花費很多錢。

       Ultimaker溫度測量系統是定義明確的，以解決我們需要系統地隔離每個部分，并驗證是否正確或它是導致問題的問題。不需要最初進行高溫測量。作為起動器，一切都在室溫，它應顯示室溫在幾度內。

       像往常一樣，第一步應該是檢查電源電壓是否正常（接近5V的轉換IC。在三針連接器上測量：黑色接地，紅色是+ 5V），并檢查所有連接的接線良好并正確插入。擺動和移動周圍，以查看是否有間歇性錯誤。

       熱電偶非常堅固，很少失效。在購買一個新的，確保一切正常。初始步驟是斷開TC，并更換為非常短的跳線。 “將輸入短接在一起”。溫度顯示應顯示室溫。 （實際上是擠出機頂部的接口IC的溫度。）

       如果它仍然顯示錯誤的溫度，那么它不是熱電偶問題。請參閱下面的步驟。

如果它讀取好的有基本上三個選項：

       熱電偶線打開（斷開）。在這種情況下，接口PCB連接器上的輸出電壓將非常大，超過3伏。黑色接地，紅色為+ 5V，黃色為輸出線。如果需要，使用直銷或縫針進行測量接觸。此外，根據控制器軟件，它可能指示溫度過高或MaxTemp觸發。開式TC線可以連接，但它們應該焊接，這不是一個簡單的過程?？傆蠫oogle .. ...

       TC導線在某些附加點處短路。在這種情況下，形成額外的結，因此將存在非常大的誤差。

        另一種可能性是TC線不與金屬套筒（如同我的）絕緣，并且該問題間接地由加熱器盒引起，該加熱器盒具有對于殼體的不期望的短路。然后，外殼將接地或在電源電壓下。通過在加熱器打開時測量加熱器電阻對地電壓，并在電源關閉時測量加熱器電阻對地來隔離問題。應該沒有電壓，它應該是浮動與TC斷開。 TC也應該是浮動的，但看到我上面的注釋。

       這里是一個鏈接到許多TC供應商在美國：http://www.temperatures.com/tcvendors.html

       如果溫度仍然錯誤輸入短路，我們需要隔離如果問題是在接口PCB或其他地方。

       可以在黑線和黃線之間測量轉換IC輸出電壓。在AD597數據手冊中有關于電壓與相應溫度的信息。如果Arduino電壓測量正確，它應該顯示相同的值。例如，如果IC溫度為30°C，則輸出應為0.295V。溫度接口IC的輸出電壓與熱電偶溫度直接相關。

       在數據手冊上第3頁是輸出電壓與溫度的對應表。您可以在這里找到數據表：http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf

如果Bad，還有一個步驟來隔離問題：

       有可能是短路或加載電線，或者在Ultimaker大PCB或Arduino上，這影響AD 597輸出電壓。我們需要斷開三線電纜從PCB和獨立應用地和5V?；旧鲜且粋€外部電源或一些跳線用于接地和5V。然后重新檢查輸出電壓以確定其是否仍然不良。

       如果輸出是良好的（IC的溫度的正確電壓），我們然后知道問題是在接口PCB到大的Ultimaker PCB之間的布線或在Arduino上。

       隔離問題的另一種方法是斷開連接到Ultimaker大PCB上的溫度轉換PCB的電纜，并在地和大PCB上的信號輸入引腳＃3之間輸入已知電壓。如果有可用的可調電源，則可以使用?？梢允褂贸Ｒ幍膯坞姵貕A性或其它類型的電池，或者由兩個類似值的電阻器（至少1000歐姆）形成的電阻分壓器，其串聯連接在地和+ 5V之間，并且中心點連接到溫度輸入引腳（Temp -1 pin＃3）。通過測量實際輸入電壓，然后查找AD597數據手冊中的電壓，將知道應顯示什么溫度。

       如果好，問題出在TC，或接口IC，或布線部分。

       如果不好，它是Ultimaker PCB或Arduino。

       通過刪除Arduino并通過將電壓直接饋送到Arduino重復上述過程，也可以測試，并再次將問題分為更小的部分進行故障排除。

替代故障排除方法：

       有很多方法來解決這樣的溫度測量系統?；蛘?，通過逐段開始測量也可以找到問題?；旧现朗裁措妷簯撌?，然后開始測量轉換PCB，并按照大的Ultimaker PCB的布線，最終到Arduino輸入引腳的問題通常也可以找到。這種方法需要更多地了解電子，所以前面提到的Divide和Conquer方法可能更容易。

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