問題発生？精密温度センサの較正をお勧めします

センサを較正するという課題、つまり実世界の物理変数を較正するという課題には、さまざまな状況があります。センサによっては、既知の刺激をセンサに与えることはそれほど難しいことではあります。しかし場合によっては、そうすることは大きな問題になります。

最初に簡単なものを見てみましょう。モデルによって、わずか1cmから25cmの範囲で線形伸び（位置）を正確に測定する線形可変差動トランス（LVDT）です。たとえば、TE Connectivity Measurement Specialties社の02560389-000 LVDTは、ストローク範囲全体で0.25%の直線性を備えた2インチ（50.8cm）の線形変位測定を提供します。

図1：TE Connectivity Measurement Specialties社のモデル02560389-000 LVDTは、0.25%の直線性で、2インチ範囲で正確な位置測定値を提供します。（画像提供：TE Connectivity Measurement Specialties）

関連するアナログフロントエンド（AFE）の電子機器を較正するには、レシオトランスなど、約100年前に開発され、今でも使用されている計測器からの正確な信号を使用できます（図2）。

図2：このクラシックなレシオトランスは、センサのアナログインターフェース回路のパフォーマンスを較正するときに、LVDT出力と位置のシミュレーションに使用されます。（画像提供：Tegam Inc.）

ただし、レシオトランスを使用しても、LVDT自体はテストされません。これをテストするには、歪みゲージ伸び計、デジタル機械式ノギス、または光学式ノギスをLVDTに接続し、特定のベンチマーク位置設定でその出力を測定します。

しかし、温度センサの較正はどうでしょう？繰り返しになりますが、温度センサの非線形出力を正確にシミュレートしてそのAFEをチェックする電気信号を生成するのはかなり簡単ですが、細かな温度精度を求める場合、温度センサ自体をどのようにチェックしますか？測温抵抗体（RTD）、サーミスタ、固体素子デバイス、熱電対などのほとんどの標準的な温度センサは、「箱から出したまま」の使用で1℃〜2℃程度の測定には良好です。しかし、絶対精度が10分の1になると（もちろん、分解能とは異なります）、それは別の話です。

実際には、基本的なヒーターをセットアップし、より高精度のシステムを使用してその温度を測定し、同じシステムで評価中のセンサを置き換えることはできません。比較の仕方によっては、比較が損なわれる要素が多すぎます。このため、高精度の温度センサに関しては次のような方法があります。

1）センサをEllab A/Sなどの必要なセットアップを持っているラボに送るか、Fluke社などのベンダーから社内で使用するためのテストセットアップを購入します。または、

2）これらの「より良い」ユニットの多くのサプライヤの1社から、NIST規格の軌跡を追うことができるドキュメントで完全に較正された温度センサを購入します。

0.1⁰Cや0.01⁰C、あるいは0.01⁰Cよりも優れた絶対精度を達成する必要がある場合はどうなるでしょう？信じがたいかもしれませんが、それは可能です。米国国立標準技術研究所（NIST）の研究陣は、-50℃（-58⁰F）〜150℃（302⁰F）の範囲（8〜14マイクロメートルの赤外線波長に相当）の熱赤外線放射温度計（TIRT）を開発しましたが、これは摂氏数千分の1度の精度で温度を測定できます。さらに、他の多くの高性能赤外線温度センサのように、極低温冷却を必要としません。

研究陣はどのようにしてこのレベルの性能を実現したのでしょうか？彼らは、アナログおよびセンサ関連の設計で一般的な3層アプローチを採用しました。

1）長期的なドリフトを最小限に抑える必要がある場合、それらの「エージング」を考慮することを含め、利用可能な最善最高の性能のコンポーネントを選択します。

2）誤差を最小限に抑えるだけでなく、可能な場合はエラーを自己キャンセルする設計トポロジを採用します。たとえば、差動または計装アンプの共有基板上に同一の温度係数を持つ整合抵抗を使用します。

3）電磁場（EM）や周囲温度の変化などの外部誤差の原因を最小限に抑えます。

私がこの3つの戦術を最初に目にしたのは、伝説の天才的アナログ設計者ジム・ウィリアムズが、1976年にEDNで発表した「この30ppmのスケールは、アナログ設計がまだ死んでいないことを証明する」という記事を読んだときのことです。このスケールは、いくつかの非常に厳しい目標を満たすように設計されていました。その目標とは、ポータブルで低コスト、300.00フルスケール範囲（100万分の30）で0.01ポンドを解決し、較正や調整をまったく必要とせず、絶対精度が0.02%以内である必要があったのです。記事の古さ（約50年前！）と、執筆後のコンポーネントとテクノロジの数多くの変更にもかかわらず、基礎となる教えは依然として生きています。

NISTの研究者たちは、周囲放射温度計（ART）と呼ばれる温度計をどのようにして作成したのでしょう（図3）？この設計は、米国光学協会が発行する学術雑誌Optics Expressで発表された「熱赤外線放射温度計とセンサの設計の改善」という非常に控えめなタイトルの論文で詳細に説明されているほか、NISTから発行された「不可視光による正確な温度測定」という記事でも紹介されています。

図3：NISTの周囲放射温度計では、固定温度の較正済み光源からの赤外線（IR）光がレンズ（1）を介して温度計の筐体に入り、検出器の出力（6）に向かいます。そしてこれが、信号レベルを上げるアンプにルーティングされます。（画像提供：NIST）

結論

次回、センサーベースの読み取り値の精度について疑問を持ったら、疑問が明確になるようにこう自問してください。「誤差のどれだけがセンサに起因するもので、どれだけが電子機器に起因するものか？そして、それぞれを個別にチェックするにはどうすればよいか？」と。