溫度傳感器在燃?xì)庥?jì)量?jī)x表中的應(yīng)用研究

楊國(guó)芬，蘇苗候，郭楊嚴(yán)，侯畔畔，陳躍躍

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

城市燃?xì)庾鳛橐环N珍貴的潔凈能源，其流量計(jì)量的準(zhǔn)確程度關(guān)乎到中國(guó)科技進(jìn)步、工業(yè)發(fā)展以及人民的日常生活[1]。就國(guó)內(nèi)目前的現(xiàn)狀來(lái)看，燃?xì)庥?jì)量的方法主要還是傳統(tǒng)的體積計(jì)量[2]。城市燃?xì)庥?jì)量屬于氣體流量計(jì)量，因而與液體和固體計(jì)量有著明顯的差別。燃?xì)庥?jì)量的準(zhǔn)確性一般會(huì)受到來(lái)自壓力與溫度的影響。而近幾年來(lái)，在計(jì)算機(jī)、智能儀器技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，計(jì)量系統(tǒng)已經(jīng)具備了溫度和壓力的自動(dòng)補(bǔ)償功能[3]。這就使得燃?xì)庥?jì)量?jī)x表上必須有溫度傳感器，以此來(lái)檢測(cè)溫度。然而，從燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的表殼加工便利性或者從加工成本方面考慮，可能會(huì)使溫度傳感器安裝在不同的位置，這樣便可能會(huì)使溫度傳感器所檢測(cè)出來(lái)的溫度有差別。

基于溫度傳感器安裝方式的不同和經(jīng)常變化的環(huán)境溫度，本文將會(huì)對(duì)溫度傳感器在不同安裝方式下（儀表內(nèi)和正常安裝位置），其檢測(cè)的溫度是否存在差異；以及正常安裝方式的溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度變化是否敏感兩方面進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置選型

1.1 渦輪流量計(jì)

本試驗(yàn)所選用的計(jì)量?jī)x表為本公司生產(chǎn)的某型號(hào)氣體渦輪流量計(jì)，把溫度傳感器安裝在此渦輪流量計(jì)上進(jìn)行試驗(yàn)。氣體渦輪流量計(jì)是新一代的智能型流量?jī)x表，具有精度高、重復(fù)性好、量程范圍寬、體積小、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本試驗(yàn)，具有普遍性。圖1為本公司某型號(hào)渦輪流量計(jì)。其工作原理是：當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比，并通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動(dòng)輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)，直接累積氣體的工況體積總量。由于氣體是由大量雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)著的分子組成的，分子間的距離較大，隨著溫度或壓力的變化，分子間距會(huì)發(fā)生變化，其體積與壓力成反比，與溫度成正比。

因此，當(dāng)被測(cè)氣體的溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)，是無(wú)法計(jì)量和比較氣體的體積流量的，需要將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量[4]。所以本公司設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)可通過(guò)配置體積修正儀，測(cè)量氣體的溫度、壓力、標(biāo)況體積流量和總量。產(chǎn)品主要性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是石油、化工、電力、冶金工業(yè)等氣體檢測(cè)或計(jì)量和城市燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的理想儀表。

1.2 溫度傳感器

本試驗(yàn)所選用的溫度傳感器型號(hào)為TMP275（0.5℃數(shù)字輸出溫度傳感器）如圖2所示，TMP275是一個(gè)精度為0.5℃、兩線制、串行輸出溫度傳感器，此傳感器采用MSOP-8或SO-8 的封裝，其讀取溫度的分辨率能夠達(dá)到0.0625℃。

TMP275是與SMBus兼容的，并支持在一條總線上使用多達(dá)8臺(tái)器件。它是在各種通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、環(huán)保、工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中擴(kuò)展溫度測(cè)量的理想選擇。TMP275 的額定運(yùn)行溫度范圍為- 40℃～+125℃；其精度為-20℃～+100℃時(shí)，為±0.5℃（最大值）。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置將由老化箱、兩臺(tái)渦輪流量計(jì)（溫度傳感器的安裝方式不同）、手推車標(biāo)準(zhǔn)裝置等組成，如圖4所示。

試驗(yàn)過(guò)程：手推車標(biāo)準(zhǔn)裝置通過(guò)軟管將老化箱與樣機(jī)連成一個(gè)氣體循環(huán)系統(tǒng)。其主要是通過(guò)改變老化箱溫度設(shè)置而改變樣機(jī)管道內(nèi)介質(zhì)溫度，觀察幾處溫度傳感器對(duì)介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度敏感程度并記錄。

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）老化箱溫度的設(shè)置順序?yàn)?℃、-20℃、55℃、-5℃，氣體循環(huán)時(shí)未開(kāi)始所記錄的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2）老化箱溫度設(shè)置為4℃，表2為氣體循環(huán)時(shí)正常溫度傳感器是否加熱進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間大約為15min（測(cè)試時(shí)間為1天）。

圖1 某渦輪流量計(jì)Fig.1 A turbine flowmeter

圖2 TMP275Fig.2 TMP275

圖3 實(shí)拍的溫度傳感器組件Fig.3 Temperature sensor components actually taken

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the test system

表1 數(shù)據(jù)1Table 1 Data 1

表2 數(shù)據(jù)2Table 2 Data 2

表3 數(shù)據(jù)3Table 3 Data 3

3）在同一流量下，老化箱設(shè)置不同溫度，表3為氣體循環(huán)時(shí)正常溫度傳感器與表內(nèi)溫度傳感器進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間大致為15min（測(cè)試前后時(shí)間為4天）。

4）從以上3組數(shù)據(jù)大致可看出：介質(zhì)溫度比環(huán)境溫度高時(shí)，表內(nèi)溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝溫度傳感器低；反之相反。為了排除表內(nèi)溫度傳感器與殼體接觸而熱量傳導(dǎo)的影響，用隔熱材料制成保護(hù)套將表內(nèi)傳感器包裹只裸露端面與介質(zhì)接觸。表4為氣體循環(huán)時(shí)表內(nèi)溫度傳感器有無(wú)加隔熱保護(hù)套進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間大致為15min。（測(cè)試前后時(shí)間為兩天）。

3 數(shù)據(jù)分析

1）由表1數(shù)據(jù)分析得出：

在未開(kāi)始通氣時(shí)，正常安裝方式的溫度傳感器與安裝在表內(nèi)的溫度傳感器的溫度檢測(cè)值在試驗(yàn)過(guò)程中最大偏差0.2℃，而試驗(yàn)測(cè)試完成后的第二天觀察兩表頭溫度顯示發(fā)現(xiàn)有1.4℃偏差；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都是符合做對(duì)比試驗(yàn)條件要求的，而最后一對(duì)數(shù)據(jù)可能是隔熱保護(hù)套影響引起。

表4 數(shù)據(jù)4Table 4 Data 4

2）由表2數(shù)據(jù)分析得出：

◇ 外部是否加熱對(duì)溫度傳感器的溫度采集影響很小。

◇ 管道流速越快，溫度傳感器所采集顯示的溫度越低。

◇ 當(dāng)老化箱溫度設(shè)置4℃時(shí)，表內(nèi)溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝的溫度傳感器高1.3℃～1.9℃。

3）由表3數(shù)據(jù)分析得出：

◇ 介質(zhì)溫度比環(huán)境溫度低時(shí)，表內(nèi)溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝的溫度傳感器高1.6℃～2℃。

◇ 介質(zhì)溫度越低，兩只溫度傳感器所顯示的溫度相差越大?！?介質(zhì)溫度比環(huán)境溫度高時(shí)，表內(nèi)溫度傳感器所顯示的溫度比正常安裝溫度傳感器低0.5℃～1.4℃。

4）由表4數(shù)據(jù)分析得出：加隔熱保護(hù)套后進(jìn)行試驗(yàn)，表內(nèi)溫度傳感器所顯示的溫度未上升而且有所下降，可排除表內(nèi)溫度傳感器與殼體接觸而受熱量傳導(dǎo)的影響，保證前3組數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

4 結(jié)論

溫度傳感器在燃?xì)庥?jì)量流量計(jì)中起著重要的作用，它的測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)影響到流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。在流量計(jì)中如何安裝溫度傳感器顯得尤為重要，不同的安裝方式可能會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性。本文對(duì)溫度傳感器在不同安裝方式下（管道內(nèi)和正常安裝位置），其檢測(cè)的溫度是否存在差異，以及正常安裝方式的溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度變化是否敏感兩方面進(jìn)行研究。結(jié)果表明，各種試驗(yàn)所檢測(cè)出來(lái)的溫度值差值在2℃以內(nèi)，是在可允許范圍內(nèi)的；同樣地，溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度變化的敏感度很低，滿足燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的要求。