溫度傳感器在燃氣計量儀表中的應用研究

楊國芬，蘇苗候，郭楊嚴，侯畔畔，陳躍躍

（天信儀表集團有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

城市燃氣作為一種珍貴的潔凈能源，其流量計量的準確程度關(guān)乎到中國科技進步、工業(yè)發(fā)展以及人民的日常生活[1]。就國內(nèi)目前的現(xiàn)狀來看，燃氣計量的方法主要還是傳統(tǒng)的體積計量[2]。城市燃氣計量屬于氣體流量計量，因而與液體和固體計量有著明顯的差別。燃氣計量的準確性一般會受到來自壓力與溫度的影響。而近幾年來，在計算機、智能儀器技術(shù)發(fā)展的帶動下，計量系統(tǒng)已經(jīng)具備了溫度和壓力的自動補償功能[3]。這就使得燃氣計量儀表上必須有溫度傳感器，以此來檢測溫度。然而，從燃氣計量儀表的表殼加工便利性或者從加工成本方面考慮，可能會使溫度傳感器安裝在不同的位置，這樣便可能會使溫度傳感器所檢測出來的溫度有差別。

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，本文將會對溫度傳感器在不同安裝方式下（儀表內(nèi)和正常安裝位置），其檢測的溫度是否存在差異；以及正常安裝方式的溫度傳感器對環(huán)境溫度變化是否敏感兩方面進行研究。

1 試驗裝置選型

1.1 渦輪流量計

本試驗所選用的計量儀表為本公司生產(chǎn)的某型號氣體渦輪流量計，把溫度傳感器安裝在此渦輪流量計上進行試驗。氣體渦輪流量計是新一代的智能型流量儀表，具有精度高、重復性好、量程范圍寬、體積小、結(jié)構(gòu)比較簡單、運動部件少等優(yōu)點，所以非常適合本試驗，具有普遍性。圖1為本公司某型號渦輪流量計。其工作原理是：當氣流進入流量計時，首先經(jīng)過整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開始轉(zhuǎn)動。當力矩達到平衡時渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比，并通過機械傳動及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動輪計數(shù)器轉(zhuǎn)動，直接累積氣體的工況體積總量。由于氣體是由大量雜亂無章運動著的分子組成的，分子間的距離較大，隨著溫度或壓力的變化，分子間距會發(fā)生變化，其體積與壓力成反比，與溫度成正比。

因此，當被測氣體的溫度和壓力發(fā)生變化時，是無法計量和比較氣體的體積流量的，需要將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標準狀態(tài)下的體積流量[4]。所以本公司設計的渦輪流量計可通過配置體積修正儀，測量氣體的溫度、壓力、標況體積流量和總量。產(chǎn)品主要性能指標達到國際先進水平，是石油、化工、電力、冶金工業(yè)等氣體檢測或計量和城市燃氣貿(mào)易計量的理想儀表。

1.2 溫度傳感器

本試驗所選用的溫度傳感器型號為TMP275（0.5℃數(shù)字輸出溫度傳感器）如圖2所示，TMP275是一個精度為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到0.0625℃。

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

2 試驗研究

2.1 試驗原理

試驗裝置將由老化箱、兩臺渦輪流量計（溫度傳感器的安裝方式不同）、手推車標準裝置等組成，如圖4所示。

試驗過程：手推車標準裝置通過軟管將老化箱與樣機連成一個氣體循環(huán)系統(tǒng)。其主要是通過改變老化箱溫度設置而改變樣機管道內(nèi)介質(zhì)溫度，觀察幾處溫度傳感器對介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度敏感程度并記錄。

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）老化箱溫度的設置順序為4℃、-20℃、55℃、-5℃，氣體循環(huán)時未開始所記錄的數(shù)據(jù)見表1。

2）老化箱溫度設置為4℃，表2為氣體循環(huán)時正常溫度傳感器是否加熱進行對比。數(shù)據(jù)采集間隔時間大約為15min（測試時間為1天）。

圖1 某渦輪流量計Fig.1 A turbine flowmeter

圖2 TMP275Fig.2 TMP275

圖3 實拍的溫度傳感器組件Fig.3 Temperature sensor components actually taken

圖4 試驗系統(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，老化箱設置不同溫度，表3為氣體循環(huán)時正常溫度傳感器與表內(nèi)溫度傳感器進行對比。數(shù)據(jù)采集間隔時間大致為15min（測試前后時間為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，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的影響，用隔熱材料制成保護套將表內(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)時表內(nèi)溫度傳感器有無加隔熱保護套進行對比。數(shù)據(jù)采集間隔時間大致為15min。（測試前后時間為兩天）。

3 數(shù)據(jù)分析

1）由表1數(shù)據(jù)分析得出：

在未開始通氣時，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值在試驗過程中最大偏差0.2℃，而試驗測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；整個試驗過程都是符合做對比試驗條件要求的，而最后一對數(shù)據(jù)可能是隔熱保護套影響引起。

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。

◇ 當老化箱溫度設置4℃時，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，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，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：加隔熱保護套后進行試驗，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的影響，保證前3組數(shù)據(jù)的真實可靠。

4 結(jié)論

溫度傳感器在燃氣計量流量計中起著重要的作用，它的測量準確性會影響到流量計的測量準確性。在流量計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影響測量準確性。本文對溫度傳感器在不同安裝方式下（管道內(nèi)和正常安裝位置），其檢測的溫度是否存在差異，以及正常安裝方式的溫度傳感器對環(huán)境溫度變化是否敏感兩方面進行研究。結(jié)果表明，各種試驗所檢測出來的溫度值差值在2℃以內(nèi)，是在可允許范圍內(nèi)的；同樣地，溫度傳感器對環(huán)境溫度變化的敏感度很低，滿足燃氣計量儀表的要求。