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温度测量和传感器校准的挑战,第二部分

通过比尔Schweber|2021年6月16日

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温度是一个被广泛测量的现实世界物理变量,但要得到可靠的结果比看起来要难,即使是对于厨房烤箱这样的简单设备。

温度到底是多少?

虽然我们都凭直觉“知道”温度是什么,但实际上定义和校准温度读数是一个复杂的讨论。原教旨主义的方法是回到物理学的基础,使用复杂的安排,通常使用激光和光学技术,来测量温度。记住,我们所说的温度实际上是我们对原子和分子运动的称呼。

通过先进的仪器,可以将温度校准到优于±0.1⁰C,但这并不是一个容易的挑战。有许多潜在的误差来源必须考虑,然后在最终读数的数据缩减中进行补偿或调整。因此,这些技术通常留给主要的计量标准组织,如美国的国家标准与技术研究所(NIST)。

请注意,即使温度的定义也很复杂:1954年,基本开尔文单位(k)被定义为等于水的三相点(水、冰和水蒸气共存的平衡点)热力学温度的分数1 / 273.16(图1).这是一种有价值的共同参考,因为在特定压力下精确配制水,三重点总是发生在相同的温度:273.16k。

温度测量和传感器校准
图1:这个三点电池是一个广泛使用的校准温度的二级标准,因为它确定了水的三相点为273.16 K(图片:NIST)

然而,一个主要的全球几十年来计量目标下SI系统(NIST参与)为标准定义所有主要单位包括长度、时间、质量,和温度的单位,可以复制,而不是依靠一个不能再现的相比,掌握物理标准。“质量”是拼图的最后一块,位于法国的主千克现在已经过时,质量的定义被质量平衡安排所取代。

现在,国际单位制(SI)是以七个定义常量为基础的:铯的超精细分裂频率、光在真空中的速度、普朗克常数、基本电荷(即质子上的电荷)、波尔兹曼常数、阿伏伽德罗常数,以及特定单色光源的发光效率(图2).所有其他单位,如长度或时间,都用这七个通用常数来定义。

图2:这张钱包大小的卡上有国际单位制(SI)的七个定义参数,如果你有时间、金钱和专业知识,你就可以定义和独立地重新创建所有其他单位的标准,如电压、长度和时间。(图片:NIST)

开尔文已经被重新定义为玻尔兹曼常数,玻尔兹曼常数将物质的热力学能量与其温度联系起来。当2018年11月修订的SI通过时,开尔文作为热力学温度的SI单位的新定义通过将玻尔兹曼常数的数值精确地等于1.380649 × 10来确定其大小-23年每克尔文焦耳。

显然,如果传感器安装在其最终系统中,很难拆卸或访问,那么成功和准确的校准就更加困难,如果不是不可能的话。如果传感器在实际使用中存在读数的可信度问题,那就更有挑战性了。一般来说,在主动系统中校准传感器几乎是不可能的。由于这个原因,一些关键任务应用程序使用两个甚至三个带有某种投票方案的传感器。这带来了新的复杂性、信心和成本问题,因为额外的电路可能带来新的问题。

传感器及其读数的可信度是消费产品的主要考虑因素,这些产品正日益成为汽车等“传感器平台”。他们的数十个传感器测量温度、压力、流体和气体流动、气体浓度和成分等。在这些情况下使用多个传感器是不实际的,也不一定会增加读数的信心,

相反,使用了一种不同的方法。这些产品的设计者会退后一步,从更宏观的角度看,如果一切都有意义的话,一组相关的传感器会报告什么。然后,利用对系统相互作用的深入理解,他们可以说,例如,如果废气的温度上升到可接受范围之外,那么与该气体相关的其他一些感知变量也应该有相应的变化,比如它的流量。要做到这一点,需要对系统交互、相关性和关联进行深入了解,以便监控系统能够判断单个传感器是否出现故障或超出校准范围,或者是否存在真正的性能问题。要达到打开“检查引擎”灯的目的可能是一个漫长而复杂的过程。

这篇文章的下一部分将看一个常见的和应该很简单的例子,检查一个标准的家庭燃气烤箱的温度,以及为什么这一点都不简单。

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参考

Fluke,“如何校准热电偶
Fluke,“9118A热电偶校准炉”
ω工程”,校准热电偶的常用技术”
电子设计,“红外温度计读数0.001°C,精度,稳定性”
NIST的。”k:介绍”
NIST的。”SI单位-温度”
NIST的。”热电偶及热电偶材料的校正”
IEEE谱”、“Nathan Myhrvold的食谱是一个更好的烤箱”
Ampleon,“射频固态烹饪白皮书”


了下:传感器提示
标记:常问问题

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