气体流量计生产厂家

24小时在线服务
当前位置:2019亚洲杯下注 > 选型手册 >

比率法铂电阻测温及其在蒸汽流量计量中的应用

时间:2017/10/03来源:未知

作为监控参数, 更重要的是用来计算密度。 引入了一种基于比率法的铂电阻高精度测温方法, 简化了接口电路, 从而提高了热蒸汽密度和流量计量精度。 利用MCU自身的资源构成了多路 A /D 接口电路, 能使铂电阻信号直接入机, 同时又兼容于标准电压或电流信号测量;长引线造成的误差被自动补偿而无须提供恒流激励源, 多种漂移很大程度得到克服, 因而获得了较高的稳定性和精度;软校正技术减小了对标准参考电阻精度的依赖, 降低了成本, 又方便了调试, 这一实用的电路和方法已成功地应用于产品中, 在 0 ~ 550℃范围内, 精度高于 0. 5 %.

  热蒸汽作为***重要二次能源在生产和生活中得 就是说 ,在保证使用温度的前提下,不再计较不同温到普遍应用,准确计量蒸汽流量对于节能降耗是不 度蒸汽热值的差异。尽管如此, 温度测量对于蒸汽可缺少的环节。理论上, 蒸汽计量应该是测量它所 流量的计量仍然重要, 这是因为 :蒸汽密度是温度的携带的热量、即热焓 ,但由于汽化热占据蒸汽热焓的 函数。工程中常采用 2 种方式计量热蒸汽流量:涡大部分,目前通行的实际做法是计量热蒸汽流量, 也 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(MC U)的流量积算仪作为二次仪表,M CU 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:
Q =3. 6F ρ/K ,其中 Q 为瞬时流量 ,单位 t /h , ρ蒸汽密度, 单位为 kg /m3 , K 仪表系数 , 单位为 m - 3 , F 为传感器输出的脉冲频率信号 , 单位 H z 。对于孔板等节流装置 ,质量流量的算式为:
Q =K P ρ
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, 应优选铂电阻作传感器, 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 Ψ, 100 ℃阻值为 138. 5 Ψ, 平均温度系数仅为 0. 385 %/ ℃。而工业环境中 , 现场与测控室都有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***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 PT100 。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。
 
2、4线制测量:
  4线制测量是消除长线误差提高精度的有效方法,图 1 中 , r1 ~ r4 表示铂电阻的 4 根引线的电阻,由于测量装置的输入阻抗 Ri 很大 , 引线电阻 r2 、r3上的电流极小,其压降可以忽略不计 ,因此可认为仪表测量端所得到的电压 Vi 与在现场铂电阻两端所得到的电压相等。但是 , 由于长引线电阻阻值的不确定性会使激励电流并不恒定,仍然无法由 Vi 得出准确的阻值 , 所以通常采用恒流源提供激励电流。***简便的集成恒流电路是 LM 334 ,但是 LM334 恒流大小又与温度成线性关系 ,有意思的是 :它本身又可以作为一个集成测温元件 ,而如果对恒流电路的温度漂移又要进行补偿势必使电路趋于复杂。
图 1  长引线铂电阻 4 线制测量

图 1  长引线铂电阻 4 线制测量

相当距离,长引线电阻通常可以达到 10 Ψ数量级 ,对应的温度误差可在 20 ℃以上,因此,必须解。

3、基于比率法的测温接口:
  既要保证较高的精度和性能 , 同时还需要简化电路,降低成本, 笔者曾为此曾设计出一种接口电路 ,如图 2 所示, 选用了 ICL7109 双积分 A /D 转换器[ 2] ,它有 12 bit 二进制信号码输出, 且低 8 bit 和高 4 bit 分时输出 ,因此很容易地能与各种 8 bit 微处理器直接接口, 读出程序也极简便。双积分 A /D 转换器有精度高的特点 , 适当地选择积分周期就能抗工频干扰, 对于工业环境非常适用。注意到这类芯片有其特殊输入引脚结构, 即,有 2 个差分输入端和 2 个差分参考电压输入端, 因此可采用比率法测温,图 2 中 ,由于差分参考电压端与差分输入都有很高的输入阻抗, 因此有式(1)成立:
 
V i = Rt =   N   (1)
V ref   2048
Rref    
图 2  双积分 A /D 7109 铂电阻测温电路

图 2  双积分 A /D 7109 铂电阻测温电路

N 是 A /D 采样值的 10 进制数 ,显然当参考电阻 Rref 确定后 ,由 N 就可以地确定铂电阻阻值R t ,也就是说 , 只要 7109 芯片本身的精度保证 , Rt 的精度只与参考电阻 R ref 的精度有关 ,而这是比较容易做到的,目前市售质量较好的金属膜电阻经筛选后即可满足要求。铂电阻上温度的改变引起阻值改变 ,会引起铂电阻上激励电流的改变 ,电源电压的改变也会引起激励电流的改变 , 但是这并不影响式(1)的成立 ,因此 , 它不需要恒流源, 试验表明, 这一方法的测量精度确实在很大范围内与电源电压无关,当直流低压电源的电压在相当大的范围内波动时(±10 %),测量值仍然不受干扰。
 
4、改进的比率法测温:
 使用 7109 有体积大 ,价格相对偏高的缺点。近年来由于计算机技术及应用的发展 ,市场不断推出低价位、资源丰富的 MC U ,而各种 A /D 芯片却仍然保持相对较高的价格 ,以 7109 为例, 它的价格约为MCU 的 4 倍, 针对这种不平衡 , 笔者曾给出利用 MCU 自身软硬件资源组成双积分 A /D 转换接口的原理和方法[ 3] 。上述电路的另一缺点是难于兼容其它信号制式, 对过热蒸汽,需要对密度进行温度和压力双补偿,因此, 既要检测铂电阻温度信号, 还要检测蒸汽的压力信号 ;当配用孔板、喷嘴等节流装置时,还需要检测差压信号。而压力和差压通常都采用标准的 4 ~ 20 mA 信号输入。
  压降,用来测量来自压力变送器的压力信号 , R1 、 R2 、R3 、R4 分别是信号电压的积分输入电阻 ,约 500 k Ψ, 各路电压通过模拟开关切换到图 3 中的 A 点,并进入积分器。VCC 5 V 电源通过限流电阻 R 向 PT100 提供激励电流, 该电流 I 流经 R 、 r1 、Rt 、r4 、 R ref ,R ref 为参考电阻 ,由于积分电阻很大 , 流经 r2 、r3的电流不计 ,V1 、V2 、V 3 分别是铂电阻 3 个引线端子上测量到的对模拟地的电压值, 由此 ,式(2)成立 :
  改进的铂电阻比率法测温电路与原理如下:图 3 中 ,测温接口占用了前 3 个通道 ,测量 V1 、V 2 、V 3 , 其中 V4 电压来自 4 ~ 20 mA 环流在采样电阻上的
图 3  改进的比率法铂电阻测温电路

图 3  改进的比率法铂电阻测温电路
I =     V CC = V 1  - V2 = V3 (2)
R +r1 +r4  +Rref   R t Rref
由此有 :                
Rt  =R ref V1 - V2             (3)
  V 3          
                 
 
这个结论表示热电阻阻值与电源电压以及长线电阻无关,当 A /D 转换部分的精度决定后 ,要提高精度,只需要选择温度性能稳定的参考电阻 R ref 。接下来的问题在于:同一种电阻的 R ref 阻值与标称值存在误差 ,按照式(3)计算必然有误差 , 解决这一问题的关键在于“软校正”, 即利用App来校正, 它的优点是不用可变电阻等可动部件 ,校正具有灵活性。现假定实际阻值 R 比标准阻值小, 在使用标准电阻箱给出温度信号时, 显示的温度数值对应于铂电阻阻值 Rt ’ 将为:
 
R t’ =R V1  - V 2 (4)
V3
   
 
R t’ 小于实际 R t , 显然, 只要采用式(5)就可以将实际参考阻值 R 补偿回R ref ,K 为校正系数 :
 
R t  =R(1 +k) V1  - V 2 (5)
V3
   
其中:令  R(1 +k) =Rref (6)
 
不同仪表的 R 不同 ,对应于不同的 K 值 ,在使用标准电阻箱校正时 , 利用手操App, 分别按动“光标右移键” → 和“数值循环增 1 键” ↑ , 就可将 K值以十进制形式输入 3 位数(默认小数点在 3 位数前), 就可以对实际参考电阻阻值 R 作 1 ~ 1. 999范围的校正 ,校正的标准即是使标准电阻箱输入的信号与对应显示温度一致 , 然后将此 K 值保存在 E2 PROM 中。在送检采用上述测温接口的流量积算仪前 ,曾根据实验室现有条件反复做过多次环境温度实验,以考察其精度,其中一组仪表典型的环境温升实验数据如表 1 所示:
 
表 1  5 台表在环境温升 30 ℃前后所显示温度数
 
(单位℃, 接入铂电阻阻值为 240. 2 Ψ)
 
环境温度         表号        
                 
1# 2# 3 # 4 # 5#
   
             
25 380. 0 380. 2 380. 0 380. 1 380. 3
55 380. 8 380. 9 380. 9 380. 9 380. 9


5、结语:
 采用这种方法的温度测量电路, 在0 ~ 550 ℃范围内有良好的稳定性和精度 ,样机顺利地通过法定计量机构各种例行试验和检定, 温度通道精度定为 0. 5 %, 产品也在应用于中取得了较好的结果。

常见问题
资料查询
价格咨询
江苏华云仪表有限企业
销售电话:0517-86996066
企业传真:0517-86883033
手 机:18915186518
E-mail:[email protected]
企业地址:江苏省淮安市金湖县工业园同泰大道99号
XML 地图 | Sitemap 地图