硅PN結數字溫度計在天然氣計量中的適用性評價

蔣佩忱，徐永洪，羊映，譚志宏，李婷，羅涵，張勇，侯翔譯

中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦（四川江油 621709)

在天然氣行業貿易交接計量中，傳統孔板流量計主要配套鉑熱電阻溫度計進行氣體流體的溫度測量，但輸出的模擬信號采集需要經浪涌保護器、隔離式安全柵限流限壓后形成一個本質安全電路，在控制室再經ADC 轉換為數字信號后傳輸至控制終端[1]，其數據才能應用于天然氣流量計算，任一環節都會引入一定的誤差，任一偏差均會對流量計量結果造成影響，A 級計量系統測量回路最大誤差可達0.35%，而溫度測量結果測量偏差1 ℃會對標準體積流量計算帶來約0.17%的影響。硅PN 結數字溫度計將硅PN 結與CMOS電路集成一體，經內部電容差轉換，直接輸出數字信號至流量計算機。數字信號的應用使其傳輸具有高穩定性，減少中間轉換環節，能夠滿足天然氣計量中溫度測量的準確性要求，有效降低環境因素干擾，是推動計量數字化轉型的重要探索。

1 硅PN結數字溫度計介紹

1.1 構造及工作原理

硅PN 結數字溫度計采用高靈敏度、高穩定性、高精度的PN 結溫度傳感器，并且集成了模數轉換的電路、信號處理電路、直接輸出數字信號，再送給單片機處理計算，并就地顯示測量結果。其具有精度高、性能可靠、結構緊湊、安裝方便、校準方式簡潔等優點，其結構如圖1所示。

圖1 硅PN結數字溫度計結構圖

硅PN結數字溫度計的測量原理是基于PN結正向電壓與溫度變化呈線性關系，通過測量介質的溫度變化導致PN 結正向電壓變化，經過集成在PN 結電路板上的轉換器，直接輸出溫度數字信號，并實現就地顯示測量示值。

1.2 技術參數

天然氣場站使用的傳統A 級鉑熱電阻溫度計測量范圍一般為-20～80 ℃，溫度測量允許誤差為±（0.150+0.002|t|）℃，t為測量溫度。而硅PN 結數字溫度計適用于-25～60 ℃的工作環境，測量范圍為-30～70 ℃，溫度測量準確度達±0.2 ℃，年測量穩定性達到±0.1 ℃，滿足IEC/EN61000-4-5±4 kV 浪涌等級要求，通流容量≤500 A，具備ExibⅡBT6 Gb 防爆，外殼防護等級為IP66，其技術參數與傳統鉑熱電阻溫度計接近，能夠滿足天然氣場站防爆要求及貿易計量需求。

1.3 信號傳輸方式

在西南地區天然氣場站中，目前溫度測量多數使用鉑熱電阻溫度計傳輸4～20 mA電流信號，經溫度變送器轉換為1～5 V 電壓信號后，其數據進入流量計算機參與天然氣流量計算。數字化儀表信號的傳輸同步技術要求很高，但較于傳統模擬信號更為簡潔，將現場的被測變量產生的模擬信號直接轉換為數字信號[2]，其數據直接通訊進入計量計算機系統參與流量計算（圖2），可以實現傳輸信號存儲、處理和交換更為快捷，設備間更利于集成化。相較于傳統鉑熱電阻溫度計的模擬信號傳輸，硅PN 結數字溫度計測量回路誤差僅由溫度計本身誤差組成，避免受到隔離器、A/D 轉換器所帶來的精度損失，其測量回路準確度得到提升。

圖2 硅PN結數字溫度計信號傳輸路線圖

2 計量性能測試

硅PN結數字溫度計利用二極管PN結正向壓降隨溫度升高而降低的特性來測量溫度，溫度上升1 ℃，其結電壓下降約2.10 mV，基本上呈線性變化，即其靈敏度為-2.10 mV/℃[3]。在實驗室內從示值準確度、重復性、穩定性等方面對硅PN 結數字溫度計開展計量性能測試，并與傳統鉑熱電阻溫度計在同范圍內進行模擬流量影響對比。

2.1 示值準確度

示值誤差是溫度計較為重要的技術指標，根據JJF（川）139—2017《數字溫度計校準規范》，選用二等標準鉑電阻作為標準器具，將二等標準鉑電阻與硅PN 結數字溫度計放置于同一穩定的標準溫場中，對其進行示值校準，試驗樣品最大示值誤差為-0.15 ℃，且符合A 級鉑熱電阻相對應溫度測量點的允許誤差范圍[4]，能夠滿足同等精度下的溫度測量需求，見表1。

2.2 重復性與穩定性

重復性與穩定性是評價溫度計適用性的關鍵參數[5]，選用3 支硅PN 結數字溫度計在溫度為20 ℃、相對濕度為56%的環境中采用同一測試方式對0 ℃測量點連續進行10次測量[6]，并以1個月為間隔，以同樣方式進行-20、0、70 ℃3 個溫度點的測量，取其10 次測量結果平均值（表2），得出3 個間隔時間段內每個測量點的變化量（表3），測算其重復性與穩定性。

表2 硅PN結數字溫度計重復性試驗數據

表3 硅PN結數字溫度計穩定性試驗數據

結合天然氣貿易交接計量對溫度測量的需求及硅PN 結數字溫度計自身技術參數，設定硅PN結數字溫度計的示值漂移期望值達到±0.1 ℃，因此穩定性允許變化量設為0.1 ℃。

根據表2、表3 中數據得出硅PN 結數字溫度計試驗樣品以貝塞爾公式計算得到的標準偏差為0.003 2 ℃，則其測量不確定分量s(yi)為0.001 1 ℃，由于試驗樣品的測量允許誤差為±0.2 ℃，可知0.001 1 ℃＜1/3×0.2 ℃=0.066 7 ℃，其重復性試驗合格。在穩定性測試中，試驗樣品4 個月的最大變化量為0.003 ℃，小于設定的期望變化量指標。

2.3 響應時間

階躍響應時間是測量儀表計量特性的重要參數之一，有利于直觀評價其測量與控制反應。以天然氣計量中傳統溫度測量使用的A級鉑熱電阻溫度計為參照，其熱響應時間t63.2＜30 s，一般t100不大于240 s，利用標準溫場溫度以10 ℃為階躍依次遞增，測量硅PN 結數字溫度計與A 級鉑熱電阻溫度計在0～60 ℃范圍內隨溫場變化至示值穩定所需的響應時間（表4）[7]，對比其計量響應性能。

表4 硅PN結數字溫度計與鉑熱電阻溫度計響應時間對比測試數據

由表4 測試數據可知，兩種溫度計在溫度越高時，其變化速率越快，硅PN 結數字溫度計在0～60 ℃溫度段的階躍響應時間相較于鉑熱電阻溫度計更慢，但其熱響應時間t63.2均小于30 s，在A 級鉑熱電阻溫度計要求范圍內，滿足A 級計量系統的測量需求。

3 現場應用測試

在實際天然氣計量場站，測量環境較為復雜，溫度測量儀表多數不直接接觸被測流體，線路連接與傳輸方式多樣，測量準確度及信號傳輸的穩定情況與天然氣測量結果的波動直接相關[8]。

3.1 應用穩定性分析

將3 支硅PN 結數字溫度計送至法定計量檢定機構依照JJF（川）139—2017《數字溫度計校準規范》進行校準溯源后[9]，在某個天然氣計量場站內兩個不同輸壓且正常運行的計量支路和一個停用的計量支路分別安裝1、2、3號硅PN 結數字溫度計，其測量數據接入現場天然氣流量計算機進行天然氣測量。通過現場使用一年，期間工藝流程等未發生變化，硅PN 結數字溫度計信號傳輸穩定，未出現過溫度異常或無數據情況，并將該3支硅PN 結數字溫度計送至同一法定計量檢定機構對照一年前的校準點進行再次校準溯源，對比一年前后兩次校準證書的檢測數據見表5，最大示值漂移值為-0.03 ℃，反映出其在實際工況條件下運行仍具有較好的穩定性，能夠適應天然氣生產現場。

表5 硅PN結數字溫度計現場使用前后示值校準數據

3.2 系統影響

在GB/T 18603—2014《天然氣計量系統技術要求》中明確A 級計量系統的溫度測量儀表的最大允許誤差為±0.5 ℃，流量計算結果的最大允許誤差為±1.0%[10]，即瞬時流量允許偏差率為±1.0%。在測量環境、裝置參數、氣質參數相同的情況下，給定測量流體溫度，在現場計量系統中得到硅PN結數字溫度計溫度測量示值與流量計算結果，與標準值進行對比見表6，其溫度測量最大示值誤差為-0.198 ℃，瞬時流量誤差最大為0.03%，滿足標準要求。但在實際應用中，由于數字傳輸技術的集成化，現場無法實現對溫度計測量偏差調節，且更換溫度計需對其傳輸信號對接匹配進行設置[11]。

表6 硅PN結數字溫度計現場系統應用數據

4 結論

綜上所述，硅PN 結數字溫度計在天然氣計量的溫度測量上有較好的應用效果，可依據JJF（川）139—2017《數字溫度計校準規范》進行量值溯源，能夠適用于現場天然氣貿易計量。

1）硅PN 結數字溫度計在天然氣計量的應用中，雖熱響應時間上略差于傳統的鉑熱電阻溫度計，但其綜合計量性能完全滿足天然氣A 級計量系統的各項測量需求，可替代鉑熱電阻溫度計應用于天然氣交接計量。

2）硅PN 結數字溫度計信號傳輸簡潔，線路鋪設簡單，不需要信號調理、轉換等多個單元的線路連接，避免了人為操作影響的可能性，節約硬件成本費用，也減少了控制機柜的占用面積，降低了設計和安裝工作量。

3）采用硅PN 結數字溫度計進行天然氣溫度測量，相較于傳統鉑熱電阻溫度測量，減少了安全柵、AD 轉換兩個中間環節，溫度測量回路誤差減小，且其儀表校準周期為一年，減少了常規計量回路每季度聯校一次的人工成本，降低了工作人員的勞動強度，降低維護費用，提高了工作效率。

4）硅PN 結數字溫度計由于數字技術的高度集成化，其轉換器集成于內置PN 結電路板，無法拆卸和操作，只能接收到經轉換后的數字信號，導致不能在現場進行偏差調節和曲線修正，若出現故障，只能對溫度計進行更換，建議在主電路板集成對轉換器的調節模塊，并能夠通過面板按鍵進行調整操作。傳統鉑熱電阻溫度計可直接更換測溫元件，恢復線路連接后無需其他操作即可實現正常溫度測量，但硅PN 結數字溫度計受傳輸協議匹配的限制，還要進行信號傳輸調整，較為復雜。