石油傾點(diǎn)溫度測(cè)試PT100溫度傳感器的標(biāo)定

王傳旭

摘要：作者設(shè)計(jì)了直徑為3mm、長(zhǎng)為27cm 的Pt100型傳感器，根據(jù)0.10℃刻度的溫度測(cè)試儀作為標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，利用軟件來(lái)矯正其非線形失真，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對(duì)石油傾點(diǎn)溫度信號(hào)的采集和標(biāo)定。
關(guān)鍵詞： Pt100傳感器；電橋測(cè)溫；石油傾點(diǎn)
中圖分類號(hào)：TP336   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、引言

石油傾點(diǎn)溫度是指管道內(nèi)凝固態(tài)的原油開(kāi)始融解流動(dòng)的最低溫度。國(guó)際上測(cè)試規(guī)程要求每隔2℃就要對(duì)其流動(dòng)情況進(jìn)行判斷并測(cè)溫，但由于石油運(yùn)輸管線很長(zhǎng)，原油每升溫1℃需要大量能源，因此對(duì)傾點(diǎn)溫度測(cè)量的精度對(duì)油田節(jié)能有重大意義。我們選用Pt100溫度傳感器來(lái)完成對(duì)石油傾點(diǎn)溫度的測(cè)量。

二、Pt100工作原理及其主要技術(shù)參數(shù)

Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，其溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為^[1]：
    （1）-200℃<t<0℃時(shí)，R_Pt100=100[1+At+Bt²+Ct³（t-100）]                          （1）
    （2）0℃≤t≤850℃時(shí)，R_Pt100=100（1+At+Bt²）                                  （2）

式中，A=3.90802×10^-3；B=-5.80×10^-7；C=4.2735×10^-12。

Pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：-200℃～+850℃；允許偏差值△℃：A級(jí)±（0.15＋0.002│t│）， B級(jí)±（0.30＋0.005│t│）；熱響應(yīng)時(shí)間<30s；最小置入深度：熱電阻的最小置入深度≥200mm；允通電流≤5mA。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。

 三、傾點(diǎn)溫度測(cè)量原理：

1、原理方框圖

根據(jù)傾點(diǎn)溫度測(cè)試的國(guó)內(nèi)外要求—溫度每降2℃就要對(duì)油樣的凝結(jié)情況進(jìn)行檢測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了測(cè)量過(guò)程（如圖1）。

2、電橋采集數(shù)據(jù)的電路圖及原理

    Pt100電橋電路如圖2所示。其中，R₁﹑R₂﹑R₃﹑R_Pt100組成電橋，R₁=R₂=R₃=R₀。為了避免流過(guò)Pt100傳感器的電流過(guò)大使其發(fā)熱進(jìn)而導(dǎo)致非線性失真增大，電橋電壓不宜太高，一般要求I_m<5mA，電橋電壓V_brg=1V。電橋輸出壓差為：

  V_D=    （3）

令R_Pt100-R₀=ΔR，則有：

 V_D=                      （4）

由Pt100溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系式可知，當(dāng)溫度較低時(shí)，Pt100的阻值變化量ΔR相對(duì)于R₀較小，則電橋輸出壓差為： V_D= ，即V_D正比于Pt100傳感器的阻值變化量ΔR，也說(shuō)明溫度較低時(shí)，Pt100傳感器的線性度良好；當(dāng)溫度較高時(shí)，ΔR/R₀的值較大，Pt100傳感器的線性度變差，此時(shí)要用軟件來(lái)較正。

四、測(cè)量中的定量計(jì)算及誤差分析

1、運(yùn)算放大器放大倍數(shù)的確定

由傳感器的溫度和阻值關(guān)系式可知，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，Pt100的阻值變化約為0.38W，對(duì)應(yīng)的電橋輸出壓差為：V_D= =0.001V。

若采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為0.0196V，則運(yùn)算放大器的最小放大倍數(shù)應(yīng)為20倍。若測(cè)溫的上限定為85℃ （傾點(diǎn)溫度一般小于該溫度）， Pt傳感器在85℃時(shí)的理論阻值為132.8W，電橋電壓為1V，則V_D= 0.08296V≈0.083V，即運(yùn)放的最大放大倍數(shù)為60.3。綜合上述，可限定運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)在20～60之間。

2、誤差分析

（1）橋電壓V_brg=1V時(shí)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差^[2]

從上面的分析可知，在某一溫度時(shí)，Pt﹑R₀不變，設(shè)電橋電壓有ΔV_brg（mV）的變化，就會(huì)導(dǎo)致V_D有 （mV）的變化。在0℃時(shí)，ΔR=5W，則V_D= =0.013ΔV(mV)；若令ΔV_D=1mV，則ΔV=76mV，即0℃左右，電橋電壓V_brg有76mV波動(dòng)，會(huì)引起1℃的溫度誤差；同理在85℃左右，電橋電壓有10mV的波動(dòng)，則會(huì)引起1℃的溫度誤差。可見(jiàn)電橋電壓V_brg=1V時(shí)的波動(dòng)系數(shù)給對(duì)測(cè)溫帶來(lái)的誤差是很大的，應(yīng)將其電壓波動(dòng)限制在1mV的級(jí)別上。

（2）運(yùn)放非線性產(chǎn)生的誤差

由于運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)在20～60之間，可將放大倍數(shù)定為50；若測(cè)溫范圍是0℃～85℃，則在0℃時(shí)，V_D=13mV；在85℃時(shí)，V_D=99.5mV，說(shuō)明輸入信號(hào)的范圍在13mV～99.5mV之間變化。以平均值50作為放大倍數(shù)，此時(shí)輸入信號(hào)為13mV，換算出來(lái)的輸入電壓信號(hào)值為12.48mV，ΔV_D=-0.52mV，將會(huì)引起約1.5℃的誤差。由此可見(jiàn)運(yùn)放的非線性將會(huì)帶來(lái)大約1.5℃的誤差，在實(shí)際測(cè)量中，提高運(yùn)放線性度以及運(yùn)放放大倍數(shù)均可以減少由運(yùn)放帶來(lái)的誤差。

（3）A/D轉(zhuǎn)換器非線性帶來(lái)的誤差

在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一模擬輸入信號(hào)V_i，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得出的數(shù)字量會(huì)有±1位的跳變，這是由A/D轉(zhuǎn)換器的判斷誤差造成的。A/D轉(zhuǎn)換器的一位跳變對(duì)應(yīng)的電壓值，即為該八位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，為0.0196V=19.6mV；折算到輸入端對(duì)應(yīng)的電壓值為0.392mV，將會(huì)產(chǎn)生0.392℃的溫度誤差。

（4）A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓V_ref帶來(lái)的誤差

A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換器AD0809，其轉(zhuǎn)換速度較慢，如果輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不斷變化，則易發(fā)生錯(cuò)誤，使用時(shí)應(yīng)加采樣保持器，且只對(duì)本次采樣的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以確保轉(zhuǎn)換信號(hào)可靠性。另外，在比較轉(zhuǎn)換過(guò)程中，V_ref的變化會(huì)對(duì)輸出的二進(jìn)制代碼有影響。在模擬輸入信號(hào)不變的情況下，若V_ref變大，會(huì)導(dǎo)致輸出的二進(jìn)制代碼變��；反之，則變大，從而導(dǎo)致了溫度誤差。

五、注意事項(xiàng)與結(jié)論

使用中應(yīng)注意，由于熱惰性會(huì)使熱電阻阻值變化滯后，為消除誤差，應(yīng)盡可能地減少熱電阻保護(hù)管外徑，適當(dāng)增加熱電阻的插入深度使熱電阻受熱部位增加。要經(jīng)常檢查保護(hù)狀況，發(fā)現(xiàn)氧化或變形應(yīng)立即采取措施，并定期進(jìn)行校驗(yàn)。熱電阻應(yīng)避免放置在爐旁或距加熱體太近，應(yīng)盡量安裝在震動(dòng)小的地方；同時(shí)為便于施工和維護(hù)。安裝位置應(yīng)盡可能保持垂直，但在有原油流動(dòng)時(shí)則必須傾斜安裝，接線盒出孔應(yīng)向下。

由上面的分析可得，為了提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)使用1V電橋電源﹑A/D轉(zhuǎn)換器的5V參考電源要穩(wěn)定在1mV級(jí)；在價(jià)格允許的情況下，Pt100傳感器﹑A/D轉(zhuǎn)換器和運(yùn)放的線性度要高。同時(shí)，利用軟件矯正其誤差，可以使測(cè)得溫度的精度在±0.2℃。

參考文獻(xiàn)：

[1] 常健生. 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 1999
[2] 朱宇光. 單片機(jī)應(yīng)用新技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社， 2001

Calibration of Pt100 Temperature Sensor For Oil Pour Point Measurement

Pt100 Temperature Sensor of 3mm diameter and 27cm length is designed to measure oil pour point, Its nonlinear distortion is proofread with software according to standard temperature thermometer of  0.1℃ resolution.

Keywords:  temperature calibration；electronic bridge measurement；oil pour point

作者簡(jiǎn)介：

王傳旭，石油大學(xué)（北京）工業(yè)自動(dòng)化碩士，現(xiàn)在青島科技大學(xué)信控學(xué)院任教，目前在中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感所讀在職博士。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理。
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