沸腾液体中的 RTD 测量值有这么大的波动是否正常?

电器工程 模拟 传感器 ADC 温度 rtd
2022-01-22 03:34:05

我正在使用 MAX31865 RTD 测量 IC 和标准 PT100 RTD 来测量枫糖浆沸腾时的温度(219 华氏度)。在环境温度下,温度测量相当稳定。但是,当沸腾时,我得到了大量的漂移。我需要稳定性最好在±0.1 degF的范围内。在下面的数据中,我已经应用了一个相当大的滚动平均值。而且,您看到的数据是在几秒钟内获取的,所以可以说我没有电噪声问题(而且确实没有频率分量)。这看起来像随机漂移。我有测量问题,还是物理问题?沸腾的液体会这样漂移吗?

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更新:
我接受了@sstobbe 的建议,并用一个类似电阻的电阻器替换了 RTD,这将使我的读数为 219 degF。读数坚如磐石。稳定性实际上在设备的精度范围内。我看到大约 0.016 degF 的非常罕见的变化(我应该提到我正在使用过采样例程来提高分辨率)。所以,我确信这是一个物理问题。

接下来,我想我会使用@10ppb 的建议,并尝试通过使用某种金属块来增加热质量。不幸的是,搅拌糖浆,或给它某种再循环,不是一种选择。关于如何克服沸腾引起的测量波动的任何其他机械建议?

更新2: 昨晚我​​用一壶开水尝试了几件事。我用大约半英寸的铝箔包裹了 RTD 的末端。可能有 10-20% 的改进。然后我把一个试管竖直放在水浴中,在试管底部加一点植物油,然后把RTD的尖端放进油里。想法是,油不会沸腾(并导致测量波动),但会是良好的热导体。当水的温度为 212 华氏度时,我无法让油超过 204 华氏度。我至少等了20分钟。我确信它会在某个时候达到平衡,但很明显这对我的应用程序不起作用。

此外,有人提到他们对我的数据没有更不稳定感到惊讶。它实际上非常不稳定。显示的数据应用了大量滚动平均值。

4个回答

这是一个相当平庸的芯片,可以期待 0.1°F 的稳定性。在 1mA 时,0.1°F 约为 8uV。该芯片在带宽上具有150uV 的典型噪声,并且热电动势会在各处造成一些 uV 的误差,而且几乎没有什么问题。

如果您在高电流下运行探头,您可能还会受到气泡和热量损失的影响,但噪音和气流的影响较小。根据结构,即使在 1mA 时,当您正在寻找 +/-0.055°C 时,自热也是一个问题。

您的参考电阻应该是 25ppm/°C 或更好的精密型。

如果您有一个相当不错的数字万用表(最好是 4 线),您可以直接将其挂在传感器上(显然,移除其他电路)并以一种或另一种方式确认。

问题的物理方面:

作为一个过程的沸腾是由液体的局部过热和通过在不断增长的气泡内蒸发来冷却该地方而引起的。产生新气泡所需的温度高于使气泡生长所需的温度,并且可能比平衡“沸点”高几度。

煮沸混合物比煮沸纯液体更加复杂。混合物的成分(在你的情况下是糖和水)不断改变浓度。这改变了产生新气泡所需的过热和平衡沸点。气泡在底部和顶部之间携带大量的水,使顶部的溶液变弱。气泡也会以某种速度混合所有东西。

简而言之,你很幸运能得到这么低的波动,这可能是因为传感器不够快。

我还没有尝试过如此精确地测量沸腾的液体,所以很好奇结果如何。

摘要/更新要尝试查看硬沸腾的影响是否会对不需要的 0.01-0.1 Hz 数量级信号分量产生影响,也许可以尝试以下(一起)

  • 慢煮(即仅在表面上形成气泡)
  • 沸石(比锅表面产生更好的表面成核位点)
  • 搅拌液体,快速旋转(避免热点/冷点)
  • 确保传感器保持在固定的位置和深度(如果容器很高,则减少深度压力效应)

这些对于制作枫糖浆可能不实用,但如果我想学习如何使用有限的测量硬件获得平滑的沸腾温度数据,这就是我会尝试的。


FWIW 对沸点有压力依赖性(也取决于溶解物质,正如 OP 清楚地注意到的那样)。乍一看,这些都是“DC”问题。

对于标准条件下的纯水,系数与压力的关系约为。1 摄氏度/20 毫巴(从该数据中观察到)。

液体的运动会影响局部压力。深度也会稍微影响它,大约。1厘米/毫巴。

我非常想知道如果您需要测量稳定性,“温和”沸腾,热流仅略高于均匀成核点,是否比“硬”沸腾更可取......

作为一种调试策略,也许可以尝试将液体置于均匀成核下方(仅在墙壁上出现气泡 [*更好:添加沸腾的碎片/石头])并查看读数的稳定性。. . 也许这将有助于提供有关问题是电子问题还是物理问题的线索。

[update2] 刚才看一些实际的沸腾,底部的热点可能会主导所有其他因素。更有理由搅动。

我有测量问题,还是物理问题?沸腾的液体会这样漂移吗?

我知道如果混合物是相同的化学物质,您可以使用沸腾的液体作为参考。我不知道反过来是否成立,因为你有几种化学物质,每一种都有不同的温度(水、糖和其他挥发物,每一种都有不同的沸点)。由于在沸点之外没有太多关于沸腾糖蜜的信息,我认为你必须自己进行测试。

测试您的探头的一个好方法是使用温度应该非常接近 100C(取决于您的海拔)并且通常用作参考的水。或者只是为了进行实际检查,购买精度为 0.1C 的参考探头,以验证您的探头在材料中的测量值。