一颗螺丝引发出奇怪的正弦波干扰.doc

一颗螺丝引发出奇怪的正弦波干扰一切都是从这句看来单纯无害的话开始：你能帮我们把一颗螺丝拆下来吗？我猜想是因为那位实验室成员没有正确的螺丝起子，这应该会是一件只要花五分钟就能完成的简单任务；但我的运气没那么好，还动用了碳化合金牙科钻头在已经凹陷的螺丝头上切出一个新的槽，好让螺丝能顺利拆卸。而当我拆下螺丝钉，这才发现为何那个实验想这么做螺丝锁住的那台仪器的外壳下，全是干涸的盐份以及腐蚀在这里我应该要告诉你更多关于这台仪器的信息，它是用来量测液态样本的四种物理特性；待测样本透过独立的帮浦，以高压(700PSI)、恒定流速(每分钟1.0 ml)供应。仪器内的一个烤箱配置了关键的传感器、毛细管、过滤器以及相关的管路，由比例-积分-微分控制器(PID)将温度控制在摄氏37度。我清理了仪器并在一团糟中找到了两个泄漏腐蚀的阀门，然后用一颗500美元的价格订购了替换品；在此同时，我还打磨了锈蚀的钢板表面并重新上漆，以避免进一步被腐蚀。把到货的新阀门安装好之后，我将系统中的空气排出，确认没有泄漏。一开始的测试显示其中三项量测功能运作良好，但第四项的黏性(viscosity)量测功能却显示不稳定的基线：出现了奇怪的正弦波干扰(sinusoidal disturbance)，且持续30分钟。那是什么导致了这种干扰？打电话给仪器制造商询问之后，得到的回答是：如果有两个阀门是坏的，那第三个可能也是；我绕过所有三个阀门，但这个改变没有什么不同，不是阀门的问题。我又绕过了好几个其他管路零件，一次一个，正弦波干扰仍顽固地存在。仔细阅读用户手册，里面指出系统内未排出的空气可能导致基线不稳定；但拆卸与清理之后也没有什么差别。这个测试似乎排除了系统内部空气这个原因的可能性，而且气泡怎么会导致正弦波干扰？抽离这个难题一个星期时间，能让我有一些时间可以思考；我再一次自己问自己：什么原因会导致长时间的正弦波？会是混迭(aliasing)吗？不太像，或许根本不是这台仪器本身的问题；又或许是向仪器供应流体的帮浦，在低流速时有30分钟的振荡？一样不太可能。我认为唯一可能导致这种低速干扰的原因与温度有关，这种想法在稍早之前也曾出现过几次，但温度控制器显示的温度一直是37°C；或许我不应该信任该读数。用独立的温度计测出那个烤箱的温度在30分钟的时间内，呈现42°C至44°C之间的正弦变化；我终于可能找对了方向！显然我是遇到了一个欠阻尼(underdamped)、临界稳定(marginally stable)控制回路临界稳控制回路振荡，振幅不会随着时间放大或减小(如下图)。 看来是温度控制器出了问题；在拆解硬件之前，我决定先尝试软件解决方案自动调节控制回路，强迫控制器计算该过程的最佳PID参数；这种重新调整有效，温度振荡消失了，黏度量测基线回归稳定，最后让使用者十分满意。但是记得在很久以前我上过的第一堂电路设计课程，被教导的是别自满于你的电路设计成果，找出它顺利运作的原理。我还是很疑惑为何PID参数必须被改变，我觉得我只是把一个硬件问题掩盖住了；除此之外，我担心的问题是烤箱温度还是比设定点高了6度。接着我恍然大悟：似乎是温度传感器并没有在温度上与烤箱正确耦合，现在看来是拆解硬件的时候了。就是这样！拆解与检测显示，传感器的固定螺丝不见了，因此温度传感器维持在稳定的37°C，不过烤箱温度却比较高而且一直振荡。我大概永远不会知道那颗固定温度传感器的螺丝跑去哪了，甚至它何时不见的也不会知道；但正确地将传感器固定之后，所有的问题都解决了。烤箱的温度稳定维持在37°C，更重要的是，仪器的黏度量测功能基线也完全稳定了。在这个案子学到的教训是：别相信所有你读到的，甚至是仪表读数；还有，如果有一个错误是长时间常数，在本质上大概就是温度。