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温度测量和传感器校准的挑战,第3部分

通过比尔施韦尔|2021年6月17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。

虽然许多温度相关的测量需要高精度,精确度和可重复性 - 让我们说,比1�c更好 - 许多其他人没有,但仍然带来挑战。考虑消费范围和整个烘焙过程中的标准燃气或电烤箱。您认为这种烤箱的温度设定均为约±10˚F(约±5˚C),但这是错误的,而现实情况要差。此外,围绕该设定点的稳定性是由于烤箱的热质量围绕设定点周围的开/关加热控制和相关的滞后。

从一个简单的例子开始。我家的家用烤箱是通用电气(GE)的一个标准设备,使用了大约15年,但状态良好,烘焙性能不稳定。从逻辑上讲,这可能意味着感应烤箱温度和控制燃气流量的热电偶出现了故障。我本来打算自己换一个的(35美元的零件和大约一个小时的工作),但在更彻底地考虑了情况之后,我决定不走那条路。维修技术员来了,在烤箱关闭的情况下测量了热电偶的直流电阻,并说它在规格范围内。相反,在开关控制方案中点燃气体的电加热器正在失效。问题在理论上解决了(我很高兴我没有浪费时间和金钱去更换热电偶,因为那并不能解决问题)。

但这个场景让我对烤箱温度读数的准确性和一致性更加好奇。理想情况下,我应该有一个带有远程高温探头的电子温度计,在门关闭时测量温度。但我没有烤箱,也不愿意花钱买,只是为了满足我对烤箱的好奇心。相反,我花了10美元买了一个基本的全金属被动烤箱温度计,泰勒5932型,能够测量100到600⁰F(38⁰C到150⁰C)的范围。(图1)。

温度测量和传感器校准
图1:我的个人定量烤箱温度调查开始使用这一基本10美元的温度计。(图像:泰勒的仪器)

但我不知道该温度计的准确性,并且在包装上没有提到它(!)。我通过电子邮件发送了公司,他们迅速回复了数据(图2)。

图2:这封来自烤箱温度计供应商的电子邮件回复显示了它在不同范围内的最大误差。(图片:泰勒仪器)

所以这个单位的精确度,我礼貌地认为是“适度的”。我觉得我可以接受,因为我真正想要的是烤箱性能的一致性和绝对准确性。例如,如果我知道烤箱关闭了一定数量,我当然可以调整我进入的设置。此外,如果我雄心勃勃,我甚至可以将输入的设置值更改为更正的值,而不必担心每次都要进行心理和手工更正。烤箱确实有改变温度设置条目的规定,以适应这种不准确。

但这只是烤箱测量挑战的一部分。我应该在哪里放在烤箱中的温度计?一些快速的网络搜索这个问题的答案揭示了秘密:全部结束。换句话说,这成为烤箱温度的第三个问题:首先,烤箱的标称设置不是很准确;其次,烤箱循环开/关在设定点周围±25˚F的温度变为±50˚F的大摇摆;第三,烤箱本身与局部炎热和凉爽的斑点非常不均匀。

没有问题,因为我认为我可以简单地创建一个烤箱热区和冷区的3D地图,并在烘焙时使用它作为指导。当我在网上搜索如何测量体内温度时,我看到了一篇文章IEEE频谱我回忆说,“Nathan Myhrvold的烤箱食谱“不像网上的一些信息,我看到的似乎是二手的、未经证实的信息,我知道梅尔沃德是一个相当敏锐的人,作为微软的前首席技术官,还有其他资历。

在他的文章中,Myhrvold讨论了标准烤箱加热的各种机制——它是热辐射、传导和对流的结合。这也取决于是煤气炉还是电炉。使分析更加复杂的是,根据烤箱的温度,这三种热机制以不同的比例“启动”。因此,烤炉内部的3D热图是动态的,而不是静态的,因此任何试图确定具有所需标称温度的位置的尝试都将涉及不同的校正图。(顺便说一句,来自Ampleon(一家微波炉固态射频功率放大器供应商)的一份详细报告显示,标准磁控管驱动微波炉的3D热图也非常不均匀。”RF固态烹饪白纸”。

这都是很多工作;是时候恢复真正的工作了。

结论和关闭

在某种程度上,我们必须结束我们的调查,继续生活,学会接受未煮熟或煮过头的饼干、蛋糕和其他烤箱产品,通过发展一种直觉,以经验为基础的感觉,知道什么行得通,什么行不通。我决定是时候继续前进了,但又复习了外卖课程。这些都不是新闻或启示,但即使在“平凡”的情况下,如标准的家庭烤箱,它们也值得记住。

  • 充满信心地校准传感器本身 - 与传感器电子有关 - 可以很难,特别是随着准确性要求增加。
  • 校准已安装的无法拆卸的传感器是比较困难的,而且在使用传感器时校准是非常困难的。
  • 即使你有一个校准过的传感器,在应用中使用它也需要仔细理解它被放置的位置,位置的影响,以及被感知的安装的动态如何扭曲和影响读数的质量和随后的结论。

长话短说:制作温度测量,这使您对结果和保证的信心,即使温度测量的概念似乎是直接的,你也不容易。有时你必须尽最大估计,但也要如此确认。

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参考文献

侥幸。”如何校准热电偶“
侥幸。”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,“k:介绍“
nist,“SI单位 - 温度“
nist,“热电偶及热电偶材料的校正“
IEEE频谱,“”Nathan Myhrvold的烤箱食谱“
Ampleon。”RF固态烹饪白纸“


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