一切都是從這句看來(lái)單純無(wú)害的話開(kāi)始：“你能幫我們把一顆螺絲拆下來(lái)嗎?”
我猜想是因?yàn)槟俏粚?shí)驗(yàn)室成員沒(méi)有正確的螺絲起子，這應(yīng)該會(huì)是一件只要花五分鐘就能完成的簡(jiǎn)單任務(wù);但我的運(yùn)氣沒(méi)那么好，還動(dòng)用了碳化合金牙科鉆頭在已經(jīng)凹陷的螺絲頭上切出一個(gè)新的槽，好讓螺絲能順利拆卸。
而當(dāng)我拆下螺絲釘，這才發(fā)現(xiàn)為何那個(gè)實(shí)驗(yàn)想這么做──螺絲鎖住的那臺(tái)儀器的外殼下，全是干涸的鹽份以及腐蝕
在這里我應(yīng)該要告訴你更多關(guān)于這臺(tái)儀器的信息，它是用來(lái)量測(cè)液態(tài)樣本的四種物理特性;待測(cè)樣本透過(guò)獨(dú)立的幫浦，以高壓(700PSI)、恒定流速(每分鐘1.0 ml)供應(yīng)。儀器內(nèi)的一個(gè)烤箱配置了關(guān)鍵的傳感器、毛細(xì)管、過(guò)濾器以及相關(guān)的管路，由比例-積分-微分控制器(PID)將溫度控制在攝氏37度。
我清理了儀器并在一團(tuán)糟中找到了兩個(gè)泄漏腐蝕的閥門(mén)，然后用一顆500美元的價(jià)格訂購(gòu)了替換品;在此同時(shí)，我還打磨了銹蝕的鋼板表面并重新上漆，以避免進(jìn)一步被腐蝕。
把到貨的新閥門(mén)安裝好之后，我將系統(tǒng)中的空氣排出，確認(rèn)沒(méi)有泄漏。一開(kāi)始的測(cè)試顯示其中三項(xiàng)量測(cè)功能運(yùn)作良好，但第四項(xiàng)的黏性(viscosity)量測(cè)功能卻顯示不穩(wěn)定的基線：出現(xiàn)了奇怪的正弦波干擾(sinusoidal disturbance)，且持續(xù)30分鐘。
那是什么導(dǎo)致了這種干擾?打電話給儀器制造商詢問(wèn)之后，得到的回答是：“如果有兩個(gè)閥門(mén)是壞的，那第三個(gè)可能也是;”我繞過(guò)所有三個(gè)閥門(mén)，但這個(gè)改變沒(méi)有什么不同，不是閥門(mén)的問(wèn)題。我又繞過(guò)了好幾個(gè)其他管路零件，一次一個(gè)，正弦波干擾仍頑固地存在。
仔細(xì)閱讀用戶手冊(cè)，里面指出系統(tǒng)內(nèi)未排出的空氣可能導(dǎo)致基線不穩(wěn)定;但拆卸與清理之后也沒(méi)有什么差別。這個(gè)測(cè)試似乎排除了系統(tǒng)內(nèi)部空氣這個(gè)原因的可能性，而且氣泡怎么會(huì)導(dǎo)致正弦波干擾?
抽離這個(gè)難題一個(gè)星期時(shí)間，能讓我有一些時(shí)間可以思考;我再一次自己?jiǎn)栕约海骸笆裁丛驎?huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的正弦波?”會(huì)是混迭(aliasing)嗎?不太像，或許根本不是這臺(tái)儀器本身的問(wèn)題;又或許是向儀器供應(yīng)流體的幫浦，在低流速時(shí)有30分鐘的振蕩?一樣不太可能。
我認(rèn)為唯一可能導(dǎo)致這種低速干擾的原因與溫度有關(guān)，這種想法在稍早之前也曾出現(xiàn)過(guò)幾次，但溫度控制器顯示的溫度一直是37°C;或許我不應(yīng)該信任該讀數(shù)。用獨(dú)立的溫度計(jì)測(cè)出那個(gè)烤箱的溫度在30分鐘的時(shí)間內(nèi)，呈現(xiàn)42°C至44°C之間的正弦變化;我終于可能找對(duì)了方向!
顯然我是遇到了一個(gè)欠阻尼(underdamped)、“臨界穩(wěn)定”(marginally stable)控制回路--臨界穩(wěn)控制回路振蕩，振幅不會(huì)隨著時(shí)間放大或減小(如下圖)。
看來(lái)是溫度控制器出了問(wèn)題;在拆解硬件之前，我決定先嘗試軟件解決方案--自動(dòng)調(diào)節(jié)控制回路，強(qiáng)迫控制器計(jì)算該過(guò)程的最佳PID參數(shù);這種重新調(diào)整有效，溫度振蕩消失了，黏度量測(cè)基線回歸穩(wěn)定，最后讓使用者十分滿意。
但是記得在很久以前我上過(guò)的第一堂電路設(shè)計(jì)課程，被教導(dǎo)的是“別自滿于你的電路設(shè)計(jì)成果，找出它順利運(yùn)作的原理?！蔽疫€是很疑惑為何PID參數(shù)必須被改變，我覺(jué)得我只是把一個(gè)硬件問(wèn)題掩蓋住了;除此之外，我擔(dān)心的問(wèn)題是烤箱溫度還是比設(shè)定點(diǎn)高了6度。
接著我恍然大悟：似乎是溫度傳感器并沒(méi)有在溫度上與烤箱正確耦合，現(xiàn)在看來(lái)是拆解硬件的時(shí)候了。就是這樣!拆解與檢測(cè)顯示，傳感器的固定螺絲不見(jiàn)了，因此溫度傳感器維持在穩(wěn)定的37°C，不過(guò)烤箱溫度卻比較高而且一直振蕩。
我大概永遠(yuǎn)不會(huì)知道那顆固定溫度傳感器的螺絲跑去哪了，甚至它何時(shí)不見(jiàn)的也不會(huì)知道;但正確地將傳感器固定之后，所有的問(wèn)題都解決了。烤箱的溫度穩(wěn)定維持在37°C，更重要的是，儀器的黏度量測(cè)功能基線也完全穩(wěn)定了。
在這個(gè)案子學(xué)到的教訓(xùn)是：別相信所有你讀到的，甚至是儀表讀數(shù);還有，如果有一個(gè)“錯(cuò)誤”是長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)，在本質(zhì)上大概就是溫度。