Experimental setup and procedures for in-situ dynamical calibration of temperature sensors

With the advancement in the engineering applications especially in the automotive, aerospace and aviation systems it becomes necessary to acquire fast and accurate temperature measurements. In transient temperature measurements the dynamic characteristics of the contact type temperature sensors are affected by the external environment and by their own thermal inertia. Some areas of application where the environment is harsh like a gas stream with high temperature or high pressure it’s become difficult to guarantee the measurement accuracy because the dynamic errors will start to occur in the temperature sensor. Other scenarios which effects the measurement accuracy of sensors are the conditions in which temperature sensors sensing probe are subjected to fouling effects, this results in the deposition of solid substance over the sensing probe and hence increases its mass which changes its thermal response time. Besides that, if multiple temperature sensors are employed to sense the temperature of a gas stream of uniform temperature then each sensor will respond different with different reading because of two reasons. First is the difference in temperature in each sensor at any reference temperature due to hardware configuration and second is the time lag between each sensor due to the thermal inertia of the measurement probe which is not always necessarily constant. Moreover, if the temperature of the gas stream is not constant and it is changing with time continuously then it’s difficult to tell the measurement accuracy of each sensor present in the system. So there is a need to dynamically calibrate the temperature sensors time to time for an accurate temperature measurement. In most thermal applications it’s difficult to detach the temperature sensor from the system to dynamically calibrate them. Available methods for dynamical calibration procedure are not good to make the in-situ dynamical calibration of sensors simultaneously within the system without detaching. In this work we have developed an experimental setup and procedure for dynamical calibration of the different temperature sensors to identify the corresponding difference in temperature and lag in time. For doing this we have built an experimental apparatus which utilizes a recirculated air flow inside a metallic box. The temperature of the recirculated air was regulated through an electrically powered heater and it was measured through test sensors having different time constant values placed inside the box to measure the air temperature. The procedure makes use of comparison between a reference sensor which have a very low time constant values with other measurement sensors which have a higher time constant values. The readings received from each sensor were analyzed with the reading of reference sensor computationally and the difference in temperature and time lag with each sensor was identified. The experiments were done with different extensions of temperature range. Experiments were successfully tested to get the desired linear waveform of temperature versus time. The results have also shown the inhomogeneity of the air temperature within the box which further effects the computationally calculated values of temperature difference between the test sensor and the reference sensor. So, further development in the experimental apparatus includes that the recirculated air temperature within the box should be made homogeneous at each position so that the dynamical calibration procedure can be improved.

Con il progresso nelle applicazioni ingegneristiche, specialmente nei sistemi automobilistico, aerospaziale e aeronautico, diventa necessario acquisire misurazioni di temperatura rapide e accurate. Nelle misure di temperatura transitoria le caratteristiche dinamiche dei sensori di temperatura a contatto sono influenzate dall'ambiente esterno e dalla propria inerzia termica. Alcune aree di applicazione in cui l'ambiente è ostile come un flusso di gas ad alta temperatura o alta pressione diventa difficile garantire l'accuratezza della misurazione perché gli errori dinamici inizieranno a verificarsi nel sensore di temperatura. Altri scenari che influenzano l'accuratezza della misurazione dei sensori sono le condizioni in cui i sensori di temperatura che rilevano la sonda sono soggetti ad effetti di incrostazione, questo provoca la deposizione di sostanza solida sulla sonda di rilevamento e quindi aumenta la sua massa che cambia il suo tempo di risposta termica. Inoltre, se vengono utilizzati più sensori di temperatura per rilevare la temperatura di un flusso di gas di temperatura uniforme, ciascun sensore risponderà in modo diverso con letture diverse per due motivi. Il primo è la differenza di temperatura in ciascun sensore a qualsiasi temperatura di riferimento dovuta alla configurazione hardware e il secondo è il ritardo tra ciascun sensore dovuto all'inerzia termica della sonda di misura che non è sempre necessariamente costante. Inoltre, se la temperatura del flusso di gas non è costante e cambia continuamente nel tempo, è difficile stabilire l'accuratezza della misurazione di ciascun sensore presente nel sistema. Così. è necessario calibrare dinamicamente i sensori di temperatura di volta in volta per una misurazione della temperatura accurata. Nella maggior parte delle applicazioni termiche è difficile staccare il sensore di temperatura dal sistema per calibrarli dinamicamente. I metodi disponibili per la procedura di calibrazione dinamica non sono utili per eseguire la calibrazione dinamica in situ dei sensori contemporaneamente all'interno del sistema senza staccarli. In questo lavoro abbiamo sviluppato un setup sperimentale e una procedura per la calibrazione dinamica dei diversi sensori di temperatura per identificare la corrispondente differenza di temperatura e il ritardo nel tempo. Per fare questo abbiamo costruito un apparato sperimentale che utilizza un flusso d'aria di ricircolo all'interno di una scatola metallica. La temperatura dell'aria di ricircolo è stata regolata tramite un riscaldatore alimentato elettricamente ed è stata misurata tramite sensori di prova con diversi valori di costanti di tempo posti all'interno della scatola per misurare la temperatura dell'aria. La procedura si avvale del confronto tra un sensore di riferimento che ha valori di costante di tempo molto bassi con altri sensori di misura che hanno valori di costante di tempo più elevato. Le letture ricevute da ciascun sensore sono state analizzate computazionalmente con la lettura del sensore di riferimento e sono state identificate la differenza di temperatura e il ritardo temporale con ciascun sensore. Gli esperimenti sono stati condotti con diverse estensioni dell'intervallo di temperatura. Gli esperimenti sono stati testati con successo per ottenere la forma d'onda lineare desiderata della temperatura in funzione del tempo. I risultati hanno anche mostrato la disomogeneità della temperatura dell'aria all'interno della scatola che influenza ulteriormente i valori calcolati computazionalmente della differenza di temperatura tra il sensore di prova e il sensore di riferimento. Quindi, un ulteriore sviluppo nell'apparato sperimentale include che la temperatura dell'aria di ricircolo all'interno della scatola dovrebbe essere resa omogenea in ogni posizione in modo che la procedura di calibrazione dinamica possa essere migliorata.