硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)在天然氣計(jì)量中的適用性評(píng)價(jià)

蔣佩忱，徐永洪，羊映，譚志宏，李婷，羅涵，張勇，侯翔譯

中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦（四川江油 621709)

在天然氣行業(yè)貿(mào)易交接計(jì)量中，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)主要配套鉑熱電阻溫度計(jì)進(jìn)行氣體流體的溫度測(cè)量，但輸出的模擬信號(hào)采集需要經(jīng)浪涌保護(hù)器、隔離式安全柵限流限壓后形成一個(gè)本質(zhì)安全電路，在控制室再經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸至控制終端[1]，其數(shù)據(jù)才能應(yīng)用于天然氣流量計(jì)算，任一環(huán)節(jié)都會(huì)引入一定的誤差，任一偏差均會(huì)對(duì)流量計(jì)量結(jié)果造成影響，A 級(jí)計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量回路最大誤差可達(dá)0.35%，而溫度測(cè)量結(jié)果測(cè)量偏差1 ℃會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算帶來約0.17%的影響。硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)將硅PN 結(jié)與CMOS電路集成一體，經(jīng)內(nèi)部電容差轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字信號(hào)至流量計(jì)算機(jī)。數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用使其傳輸具有高穩(wěn)定性，減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能夠滿足天然氣計(jì)量中溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性要求，有效降低環(huán)境因素干擾，是推動(dòng)計(jì)量數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要探索。

1 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)介紹

1.1 構(gòu)造及工作原理

硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)采用高靈敏度、高穩(wěn)定性、高精度的PN 結(jié)溫度傳感器，并且集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路、信號(hào)處理電路、直接輸出數(shù)字信號(hào)，再送給單片機(jī)處理計(jì)算，并就地顯示測(cè)量結(jié)果。其具有精度高、性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、校準(zhǔn)方式簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)的測(cè)量原理是基于PN結(jié)正向電壓與溫度變化呈線性關(guān)系，通過測(cè)量介質(zhì)的溫度變化導(dǎo)致PN 結(jié)正向電壓變化，經(jīng)過集成在PN 結(jié)電路板上的轉(zhuǎn)換器，直接輸出溫度數(shù)字信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)就地顯示測(cè)量示值。

1.2 技術(shù)參數(shù)

天然氣場(chǎng)站使用的傳統(tǒng)A 級(jí)鉑熱電阻溫度計(jì)測(cè)量范圍一般為-20～80 ℃，溫度測(cè)量允許誤差為±（0.150+0.002|t|）℃，t為測(cè)量溫度。而硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)適用于-25～60 ℃的工作環(huán)境，測(cè)量范圍為-30～70 ℃，溫度測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±0.2 ℃，年測(cè)量穩(wěn)定性達(dá)到±0.1 ℃，滿足IEC/EN61000-4-5±4 kV 浪涌等級(jí)要求，通流容量≤500 A，具備ExibⅡBT6 Gb 防爆，外殼防護(hù)等級(jí)為IP66，其技術(shù)參數(shù)與傳統(tǒng)鉑熱電阻溫度計(jì)接近，能夠滿足天然氣場(chǎng)站防爆要求及貿(mào)易計(jì)量需求。

1.3 信號(hào)傳輸方式

在西南地區(qū)天然氣場(chǎng)站中，目前溫度測(cè)量多數(shù)使用鉑熱電阻溫度計(jì)傳輸4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換為1～5 V 電壓信號(hào)后，其數(shù)據(jù)進(jìn)入流量計(jì)算機(jī)參與天然氣流量計(jì)算。數(shù)字化儀表信號(hào)的傳輸同步技術(shù)要求很高，但較于傳統(tǒng)模擬信號(hào)更為簡(jiǎn)潔，將現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)變量產(chǎn)生的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[2]，其數(shù)據(jù)直接通訊進(jìn)入計(jì)量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參與流量計(jì)算（圖2），可以實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)存儲(chǔ)、處理和交換更為快捷，設(shè)備間更利于集成化。相較于傳統(tǒng)鉑熱電阻溫度計(jì)的模擬信號(hào)傳輸，硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量回路誤差僅由溫度計(jì)本身誤差組成，避免受到隔離器、A/D 轉(zhuǎn)換器所帶來的精度損失，其測(cè)量回路準(zhǔn)確度得到提升。

圖2 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)信號(hào)傳輸路線圖

2 計(jì)量性能測(cè)試

硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)利用二極管PN結(jié)正向壓降隨溫度升高而降低的特性來測(cè)量溫度，溫度上升1 ℃，其結(jié)電壓下降約2.10 mV，基本上呈線性變化，即其靈敏度為-2.10 mV/℃[3]。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)從示值準(zhǔn)確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性等方面對(duì)硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)開展計(jì)量性能測(cè)試，并與傳統(tǒng)鉑熱電阻溫度計(jì)在同范圍內(nèi)進(jìn)行模擬流量影響對(duì)比。

2.1 示值準(zhǔn)確度

示值誤差是溫度計(jì)較為重要的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)JJF（川）139—2017《數(shù)字溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》，選用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)器具，將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻與硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)放置于同一穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)溫場(chǎng)中，對(duì)其進(jìn)行示值校準(zhǔn)，試驗(yàn)樣品最大示值誤差為-0.15 ℃，且符合A 級(jí)鉑熱電阻相對(duì)應(yīng)溫度測(cè)量點(diǎn)的允許誤差范圍[4]，能夠滿足同等精度下的溫度測(cè)量需求，見表1。

2.2 重復(fù)性與穩(wěn)定性

重復(fù)性與穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)溫度計(jì)適用性的關(guān)鍵參數(shù)[5]，選用3 支硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為56%的環(huán)境中采用同一測(cè)試方式對(duì)0 ℃測(cè)量點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行10次測(cè)量[6]，并以1個(gè)月為間隔，以同樣方式進(jìn)行-20、0、70 ℃3 個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量，取其10 次測(cè)量結(jié)果平均值（表2），得出3 個(gè)間隔時(shí)間段內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的變化量（表3），測(cè)算其重復(fù)性與穩(wěn)定性。

表2 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合天然氣貿(mào)易交接計(jì)量對(duì)溫度測(cè)量的需求及硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)自身技術(shù)參數(shù)，設(shè)定硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)的示值漂移期望值達(dá)到±0.1 ℃，因此穩(wěn)定性允許變化量設(shè)為0.1 ℃。

根據(jù)表2、表3 中數(shù)據(jù)得出硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)試驗(yàn)樣品以貝塞爾公式計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.003 2 ℃，則其測(cè)量不確定分量s(yi)為0.001 1 ℃，由于試驗(yàn)樣品的測(cè)量允許誤差為±0.2 ℃，可知0.001 1 ℃＜1/3×0.2 ℃=0.066 7 ℃，其重復(fù)性試驗(yàn)合格。在穩(wěn)定性測(cè)試中，試驗(yàn)樣品4 個(gè)月的最大變化量為0.003 ℃，小于設(shè)定的期望變化量指標(biāo)。

2.3 響應(yīng)時(shí)間

階躍響應(yīng)時(shí)間是測(cè)量?jī)x表計(jì)量特性的重要參數(shù)之一，有利于直觀評(píng)價(jià)其測(cè)量與控制反應(yīng)。以天然氣計(jì)量中傳統(tǒng)溫度測(cè)量使用的A級(jí)鉑熱電阻溫度計(jì)為參照，其熱響應(yīng)時(shí)間t63.2＜30 s，一般t100不大于240 s，利用標(biāo)準(zhǔn)溫場(chǎng)溫度以10 ℃為階躍依次遞增，測(cè)量硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)與A 級(jí)鉑熱電阻溫度計(jì)在0～60 ℃范圍內(nèi)隨溫場(chǎng)變化至示值穩(wěn)定所需的響應(yīng)時(shí)間（表4）[7]，對(duì)比其計(jì)量響應(yīng)性能。

表4 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)與鉑熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

由表4 測(cè)試數(shù)據(jù)可知，兩種溫度計(jì)在溫度越高時(shí)，其變化速率越快，硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)在0～60 ℃溫度段的階躍響應(yīng)時(shí)間相較于鉑熱電阻溫度計(jì)更慢，但其熱響應(yīng)時(shí)間t63.2均小于30 s，在A 級(jí)鉑熱電阻溫度計(jì)要求范圍內(nèi)，滿足A 級(jí)計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

在實(shí)際天然氣計(jì)量場(chǎng)站，測(cè)量環(huán)境較為復(fù)雜，溫度測(cè)量?jī)x表多數(shù)不直接接觸被測(cè)流體，線路連接與傳輸方式多樣，測(cè)量準(zhǔn)確度及信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定情況與天然氣測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)直接相關(guān)[8]。

3.1 應(yīng)用穩(wěn)定性分析

將3 支硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)送至法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)依照J(rèn)JF（川）139—2017《數(shù)字溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行校準(zhǔn)溯源后[9]，在某個(gè)天然氣計(jì)量場(chǎng)站內(nèi)兩個(gè)不同輸壓且正常運(yùn)行的計(jì)量支路和一個(gè)停用的計(jì)量支路分別安裝1、2、3號(hào)硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)，其測(cè)量數(shù)據(jù)接入現(xiàn)場(chǎng)天然氣流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行天然氣測(cè)量。通過現(xiàn)場(chǎng)使用一年，期間工藝流程等未發(fā)生變化，硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，未出現(xiàn)過溫度異?；驘o(wú)數(shù)據(jù)情況，并將該3支硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)送至同一法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)對(duì)照一年前的校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行再次校準(zhǔn)溯源，對(duì)比一年前后兩次校準(zhǔn)證書的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表5，最大示值漂移值為-0.03 ℃，反映出其在實(shí)際工況條件下運(yùn)行仍具有較好的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

表5 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用前后示值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)影響

在GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中明確A 級(jí)計(jì)量系統(tǒng)的溫度測(cè)量?jī)x表的最大允許誤差為±0.5 ℃，流量計(jì)算結(jié)果的最大允許誤差為±1.0%[10]，即瞬時(shí)流量允許偏差率為±1.0%。在測(cè)量環(huán)境、裝置參數(shù)、氣質(zhì)參數(shù)相同的情況下，給定測(cè)量流體溫度，在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)中得到硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)溫度測(cè)量示值與流量計(jì)算結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比見表6，其溫度測(cè)量最大示值誤差為-0.198 ℃，瞬時(shí)流量誤差最大為0.03%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)字傳輸技術(shù)的集成化，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度計(jì)測(cè)量偏差調(diào)節(jié)，且更換溫度計(jì)需對(duì)其傳輸信號(hào)對(duì)接匹配進(jìn)行設(shè)置[11]。

表6 硅PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

綜上所述，硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)在天然氣計(jì)量的溫度測(cè)量上有較好的應(yīng)用效果，可依據(jù)JJF（川）139—2017《數(shù)字溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行量值溯源，能夠適用于現(xiàn)場(chǎng)天然氣貿(mào)易計(jì)量。

1）硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)在天然氣計(jì)量的應(yīng)用中，雖熱響應(yīng)時(shí)間上略差于傳統(tǒng)的鉑熱電阻溫度計(jì)，但其綜合計(jì)量性能完全滿足天然氣A 級(jí)計(jì)量系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)量需求，可替代鉑熱電阻溫度計(jì)應(yīng)用于天然氣交接計(jì)量。

2）硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)信號(hào)傳輸簡(jiǎn)潔，線路鋪設(shè)簡(jiǎn)單，不需要信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換等多個(gè)單元的線路連接，避免了人為操作影響的可能性，節(jié)約硬件成本費(fèi)用，也減少了控制機(jī)柜的占用面積，降低了設(shè)計(jì)和安裝工作量。

3）采用硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行天然氣溫度測(cè)量，相較于傳統(tǒng)鉑熱電阻溫度測(cè)量，減少了安全柵、AD 轉(zhuǎn)換兩個(gè)中間環(huán)節(jié)，溫度測(cè)量回路誤差減小，且其儀表校準(zhǔn)周期為一年，減少了常規(guī)計(jì)量回路每季度聯(lián)校一次的人工成本，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低維護(hù)費(fèi)用，提高了工作效率。

4）硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)由于數(shù)字技術(shù)的高度集成化，其轉(zhuǎn)換器集成于內(nèi)置PN 結(jié)電路板，無(wú)法拆卸和操作，只能接收到經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，導(dǎo)致不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)和曲線修正，若出現(xiàn)故障，只能對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行更換，建議在主電路板集成對(duì)轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)模塊，并能夠通過面板按鍵進(jìn)行調(diào)整操作。傳統(tǒng)鉑熱電阻溫度計(jì)可直接更換測(cè)溫元件，恢復(fù)線路連接后無(wú)需其他操作即可實(shí)現(xiàn)正常溫度測(cè)量，但硅PN 結(jié)數(shù)字溫度計(jì)受傳輸協(xié)議匹配的限制，還要進(jìn)行信號(hào)傳輸調(diào)整，較為復(fù)雜。