Dynamic method for in-situ calibration of temperature sensors

The calibration of a temperature sensor needs an elevated level of temperature control: for a static calibration, mainly an accurate and stable thermal chamber or process which relies on constant temperature physical process, material phases change; and for dynamic characterisation a step temperature input is used, either by Loop Current Step Response or Self-Heating Test. Moreover, summed to the static calibration difficulties also extend the fact the procedure requires a long operating time, resulting in an even more expensive process. Looking to facilitate the process by deleting the necessity of high accuracy control of the temperature, the present work aims to test a dynamic method for in-situ calibrations using a temperature sensor reference and components with different thermal inertia components to simulate the behaviour of a generic object, relying on the approximation of a generic input as a small step during a sampling time length. For such method it is verified the effects of: sampling time; achievement of thermal equilibrium or not; and input with variation gradients. It is also tested different orders for the polynomial correction and together with the evaluation of the confidence band for one experiment in order to verify how it is affected. The validation of the method is performed by comparison with results from standard static calibration and standard step response methods applied in the same system. In the end, it is achieved an average precision in temperature measurements of 0.09°C within the range of between 4°C and 50°C, and a 3σ confidence band for the time constant prediction of around ±7s in smaller specimens and around ±12s for bigger specimens. In terms of static correction, the confidence band for temperature error was around ±0.07◦C .

La calibrazione di un sensore di temperatura richiede un controllo molto accurato della temperatura dell’ambiente in cui è immerso. Per una calibrazione statica, è fondamentale una camera termica accurata e stabile o un processo fisico che avvenga a temperatura costante, tipicamente il cambiamento di fase di una sostanza. Per la caratterizzazione dinamica viene misurata la risposta ad una variazione di temperatura a gradino, ottenuta tramite immersione, o riscaldamento a induzione o auto-riscaldamento. Inoltre, si aggiungono alle difficoltà della calibrazione statica anche il fatto che la procedura può richiedere lungo tempo, rendendo il processo ancora più costoso. Con l’obiettivo di semplificare il processo eliminando la necessita di un controllo accurato della temperatura, il presente lavoro mira a testare un metodo dinamico per calibrazioni in-situ utilizzando un sensore di temperatura di riferimento e componenti con diverse inerzie termiche per simulare il comportamento di un oggetto generico, basandosi sull’approssimazione di un ingresso generico come un piccolo gradino durante un intervallo di tempo di campionamento. Per tale metodo vengono discussi e verificati gli effetti del tempo di campionamento, del raggiungimento o meno dell’equilibrio termico e della velocità di variazione della temperatura ambiente. Vengono inoltre testati diversi ordini di correzione polinomiale e insieme viene valutata la banda di confidenza per un esperimento al fine di verificare come viene influenzata. La validazione del metodo viene effettuata confrontando i risultati ottenuti con la calibrazione statica standard e i metodi di risposta a gradino standard applicati sullo stesso sistema. Alla fine, si ottiene una accuratezza media nelle misurazioni di temperatura di 0,09°C nell’intervallo tra 4°C e 50°C, e una banda di confidenza a 3σ per la stima della costante di tempo di circa ±7s per campioni più piccoli e circa ±12s per campioni più grandi. In termini di correzione statica, la banda di confidenza per l’errore di temperatura è di circa ±0,07°C.