¿Cree que tiene problemas? Intente calibrar un sensor de temperatura de precisión

El desafío de calibrar sensores para variables físicas del mundo real es una situación contradictoria. Para algunos sensores, no es muy difícil proporcionar un estímulo conocido para el sensor, para otros sensores, esto es un gran problema.

Veamos primero uno más fácil: un transformador diferencial variable lineal (LVDT) que mide con precisión una elongación lineal (posición) sobre un rango de tan solo un centímetro (cm) a quizás 25 cm, según el modelo. Por ejemplo, el LVDT 02560389-000 de TE Connectivity Measurement Specialties ofrece una medición de desplazamiento lineal por encima de dos pulgadas (50.8 centímetros) con 0.25% de linealidad en todo el rango de carrera.

Figura 1: el LVDT modelo 02560389-000 de TE Connectivity Measurement Specialties proporciona lecturas precisas de posiciones sobre un rango de dos pulgadas, con linealidad de 0.25%. (Fuente de la imagen: TE Connectivity Measurement Specialties)

Para calibrar la electrónica asociada del Front-End analógico (AFE), puede utilizar una señal precisa de un instrumento como un transformador de relación, que se desarrolló hace aproximadamente 100 años y todavía se utiliza (Figura 2).

Figura 2: este transformador de relación de estilo clásico se utiliza para simular las salida en comparación con la posición de LVDT al calibrar el rendimiento del circuito de la interfaz analógica del sensor. (Fuente de la imagen: Tegam Inc.)

Sin embargo, el uso del transformador de relación no prueba al LVDT en sí mismo. Para eso, puede conectar un extensómetro de sensor de deformación, un calibre mecánico y digital o un calibre óptico al LVDT, y luego medir su salida en configuraciones de posición de referencia específicas.

¿Pero qué hay de la calibración del sensor de temperatura? Una vez más, es relativamente fácil crear una señal eléctrica que simule con precisión la salida no lineal del sensor de temperatura y verificar su AFE, pero ¿cómo verifica el mismo sensor de temperatura cuando busca precisión en una fracción de un grado? La mayoría de los sensores de temperatura estándar como los detectores de temperatura de resistencia (RTD), los termistores, los dispositivos de estado sólido y las termocuplas son buenas "así como vienen" para aproximadamente 1 ⁰C a 2 ⁰C, pero cuando obtiene las décimas de la precisión absoluta de un grado (no es la misma resolución, por supuesto) no es la misma historia.

La realidad es que no puede simplemente configurar un calentador básico, medir su temperatura con un sistema de mayor precisión y luego sustituir su sensor en evaluación en el mismo sistema. Existen muchas formas en las que se puede alterar la comparación por la forma en la que lo lleva a cabo. Por esta razón, los usuarios de los sensores de temperatura de alta precisión pueden:

1) Enviar el sensor a un laboratorio, como Ellab A/S, que cuenta con las configuraciones necesarias o comprar una configuración de prueba de un proveedor como Fluke Corp para usar de manera interna.

2) Comprar un sensor de temperatura que venga completamente calibrado con documentación trazable del NIST de uno de los tantos proveedores de estas unidades "mejores".

¿Qué sucede si necesita lograr una precisión absoluta de 0.1 ⁰C o 0.01 ⁰C, o incluso mejor que 0.01 ⁰C? Quizás es difícil de creer, pero se puede realizar. Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un termómetro de radiación infrarroja-térmica (TIRT) para el rango de -50 ⁰C (-58 ⁰F) a 150 ⁰C (302 ⁰F) (que corresponde a longitudes de onda infrarrojas entre ocho y catorce micrómetros) que puede medir temperaturas con la precisión de unas milésimas de grados Celsius. Mejor aún, no requiere enfriamiento criogénico, como lo hacen muchos otros sensores de temperatura infrarrojos de alto rendimiento.

¿Cómo lograron este nivel de rendimiento? Utilizaron el enfoque de tres capas común en diseños relacionados con sensores y analógicos:

1) Elija el mejor componente de mayor rendimiento disponible, incluido su "envejecimiento" si es necesario para minimizar la deriva a largo plazo.

2) Utilice una tipología de diseño que no solo minimice los errores, sino también que los cancele automáticamente cuando sea posible, como el empleo de resistencias emparejadas con coeficientes de temperatura idénticos en el sustrato compartido de un amplificador de instrumentación o diferencial.

3) Minimice las fuentes externas de errores inducidos como campos electromagnéticos (EM) o cambios de temperatura ambiente.

Mi primera introducción a este trío de tácticas fue cuando leí un artículo de Jim Williams, el histórico y legendario genio en diseños analógicos, en una emisión de 1976 de EDN, "This 30-ppm scale proves that analog designs aren't dead yet" (Esta escala de 30-ppm prueba que los diseños analógicos todavía no han muerto). La escala se diseñó con el fin de cumplir con algunos objetivos muy agresivos: debía ser portátil, económico, resolver 0.01 libra en un rango de escala completa de 300.00 (son 30 partes por millón), nunca requerir calibración o ajuste, y tener precisión absoluta dentro de 0.02%. A pesar de los años del artículo (¡casi 50 años!) y los diversos cambios en los componentes y tecnologías desde que se escribió, las lecciones subyacentes siguen siendo válidas.

¿Cómo crearon las personas del NIST su termómetro, denominado Termómetro de Ambiente-Radiación (Figura 3)? El diseño se describe detalladamente en su artículo con título muy modesto "Improvements in the design of thermal infrared radiation thermometers and sensors" (Mejoras en el diseño de sensores y termómetros de radiación infrarrojos y térmicos) publicado en Optics Express de la Sociedad Óptica Estadounidense, así como "Precise Temperature Measurements with Invisible Light" (Mediciones precisas de temperatura con luz invisible), publicada por el NIST.

Figura 3: en el Termómetro de Ambiente-Radiación del NIST, la luz infrarroja (IR) de una fuente calibrada de temperatura fija ingresa al recinto del termómetro a través de un lente (1) y avanza a la salida del detector (6) que se envía a un amplificador que aumenta los niveles de señal. (Fuente de la imagen: NIST)

Conclusión

La próxima vez que se pregunte sobre la precisión de sus lecturas basadas en sensores, asegúrese de ser claro con usted mismo: ¿qué porcentaje de error se debe al sensor mismo y qué porcentaje se debe a la electrónica? ¿Cómo verifica cada uno de manera independiente?