比率法铂电阻测温及其在蒸汽计量中的应用

　　热蒸汽作为最重要二次能源在生产和生活中得到普遍应用, 准确计量蒸汽流量对于节能降耗是不可缺少的环节。理论上, 蒸汽计量应该是测量它所携带的热量、即热焓, 但由于汽化热占据蒸汽热焓的大部分, 目前通行的实际做法是计量热蒸汽流量, 也就是说, 在保证使用温度的前提下, 不再计较不同温度蒸汽热值的差异。尽管如此, 温度测量对于蒸汽流量的计量仍然重要, 这是因为: 蒸汽密度是温度的函数。工程中常采用2 种方式计量热蒸汽流量: 涡街流量计和以孔板为代表的其它节流方式( 如弯管等) , 而这2 种流量计本质上都不是质量流量计, 它们都需要配上基于单片机( MCU ) 的流量积算仪作为二次仪表, MCU 根据实时检测到的工况参数, 进行密度补偿, 然后间接地求出质量流量。基于流体卡门旋涡的涡街流量计本质上是一种体积流量计,以它作为一次仪表, 蒸汽瞬时质量流量的算式为:

　　△P 为差压。过热蒸汽的密度是温度和压力的双变量函数; 对于饱和蒸汽, 蒸汽密度则是温度单变量函数。对蒸汽密度的拟合解析式的分析表明[ 1] , 在相当宽的温度范围内, 温度偏差1 ℃ , 造成过热蒸汽密度约0. 2%偏差; 饱和蒸汽在100~ 200 ℃ 的范围内,温度每有1℃ 的偏差, 所造成密度误差为2. 02% ~3. 34%, 温度测量对于蒸汽计量的准确性的影响由此可见。因此, 如何提供一个适于蒸汽流量测量的高精度测温接口一直是智能积算仪设计中的一项关键技术, 笔者在多年实践中, 通过不断改进, 得出一种基于比率法的铂电阻测温电路, 较好地解决了这一问题。

　　1 蒸汽温度测量中的问题

　　用于流量测量的涡街传感器的敏感元件有压电和电容式2 种, 前者的上限温度在280℃ , 超过此值会使敏感元件失效, 这一上限温度只能满足一般蒸汽用户的需要; 电容式的温度可达400 ℃, 蒸汽温度若超过400 ℃, 通常采用孔板, 为了兼顾通用性, 蒸汽温度测量范围通常选在0~ 550℃ 。显然, 从稳定性、测温范围、一致性、精度、标定难易等因素来考虑, 应首选铂电阻作传感器, 而工程中多年来也确实一直沿用至今。为了降低用户成本, 方便安装, 流行的蒸汽流量积算仪的设计均采用铂电阻信号直接入机方式, 而并不使用温度变送器; 而作为通用接口, 除了测量热电阻信号, 还应该具有接受标准的4~ 20 mA 信号( 压力和差压) 的功能。

　　选择铂电阻测温, 虽然有诸多优点, 但也有一些固有的、比较棘手的问题需要认真解决, 这些问题主要起源于铂电阻的温度系数较小。以Pt100 为例,0 ℃ 阻值为100欧 , 100℃ 阻值为138. 5 8, 平均温度系数仅为0. 385% / ℃ 。而工业环境中, 现场与测控室都有相当距离, 长引线电阻通常可以达到10欧数量级, 对应的温度误差可在20 e 以上, 因此, 必须解决好长引线电阻造成误差的自动补偿, 即, 无论是导线电阻本身的引入及导线电阻随环境温度变化, 都不应对测量造成明显的误差。微型的薄膜铂电阻是近年发展的新品种, 它的体积小, 响应快, 而且有PT1000 品种, 如果采用PT1000, 则引线电阻的影响相对减小, 但在蒸汽测量中, 更多地要考虑封装的方便性、坚固性和耐用性等因素, 目前使用最多的仍然是一种由铂丝绕制的、带保护套管和接线盒的安装式PT 100。较宽的测量范围、铂电阻信号直接入机、兼容于标准电压或电流信号测量以及引线电阻的补偿等, 上述诸种因素在设计蒸汽流量积算仪中的测温接口时必须综合给予考虑。