淺談熱計量儀表高精度測溫技術

杜永勝

（黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江 哈爾濱150090）

1 概述

我國現有的供熱系統大多采用單管串聯方式，用戶無法根據實際需求調節用熱量，造成資源的嚴重浪費，在收費的時候是根據用戶的建筑面積計費而不是根據用戶的實際用熱量收費，這種收費方式使產、供、需三方面的矛盾日益突出。因此國家有關部門作出決定，要求在2010 年以前實現熱計量，即將“熱”做為一種商品由熱力部門通過熱網轉送給用戶，熱費結算采用分戶計量，按實際用熱量收費的方式。

熱計量儀表就是用來測量一個熱流回路中流體釋放熱量多少的儀表，它的測量值是供熱體系中按熱量收費的重要依據，因此其測量精度，工作穩定性等技術指標是非常重要的，其中溫度傳感器是一種重要的部件，它的測量精度直接影響熱量的測量精度，因此有必要對熱計量的精確溫度進行分析。

2 熱計量表的工作原理

一個封閉的供暖系統中，如果供水管路和回水管路的流體壓力相等，并且在供暖系統的流體流速保持穩定以及其他的供暖條件不變的情況下，供暖系統釋放的熱量按下式計算

qm流經換熱器流體的質量流量（kg/s）

h1，h2：換熱器進口和出口的流體焓值（Kj/kg）

熱量計由流量傳感器，配對溫度傳感器和計算器組成，目前由于技術價格等方面的原因，流量的測量大多采用體積流量計。因此在實際測量時就要將體積流量換算到質量流量，這樣就先要計算流體流經換熱器進口和出口處的流體密度值計算出流體的質量流量，再將其與換熱器進出口的焓值差進行乘積并累加，計算出熱量。

由以上分析知道熱量計量的相對誤差δV是由以下相對誤差組成：流體的體積相對誤差δV；流體溫度的相對誤差δT；體積流量轉換到質量流量的轉換相對誤差δVM，計算器流量的相對誤差δhc；若各相對統計獨立，熱量的相對誤差按下式計算

3 溫度測量的原理

為了保證熱量計量的高品質高性能，選擇性能優良的溫度傳感器并正確使用是非常重要的。我們選用Pt1000,它的特點是溫度系數大，線性度好，測量準確。

在其測量范圍內，當溫度小于0 時，其溫度與電阻值的關系為：

在其測量范圍內，當溫度大于0 時，其溫度與電阻值的關系為：

可見鉑電阻與溫度之間的非線性關系在高溫時候很嚴重，在熱計量儀表中是用不平衡電橋將鉑電阻隨溫度變化的電信號輸出再經A/D 轉換后送計算器運算的，不平衡點橋的非線性以及引線電阻的附加影響也會帶來一定的誤差。因此對監測數據進行非線性校正是高精度測量不可缺少的環節。

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對鉑電阻測溫的非線性校正有兩種方法：硬件校準和軟件校準。熱量計量儀表室采用電池供電的，額外的硬件增加會增加系統的功耗。因此采用軟件校準時可行的方法。我們采用牛頓迭代法實現非線性校正，根據公式（5）可得：

由此得到迭代函數為：

其中ti為第一次迭代所得到的溫度；Rt 為1℃時鉑電阻的電阻值，在實際計算時氣值可以根據系統硬件電路和A/D 轉換結果計算出來。

應用以上公式時要注意以下三點：

（1）公式中的系數A，B 為已知常數，但它們的值是在一定溫度范圍內的近似值，為了完全擬合鉑電阻分度表函數，實現高精度測溫，必須對其在熱計量儀表溫度變化范圍內進行分段擬合。

目前，熱量計體積流量轉換質量流量的誤差小于0.2%，熱量計算相對誤差小于0.1%，因此以上公式可以近似為：

可見影響熱量計量精度的主要因素是流經熱換器的流體體積流量和溫度。若要提高測量精度就要提高流量和溫度的測量精度。但在實際測量過程中提高流量精度的難度是很困難的，而提高溫度的測量精度相對容易。同時流體的密度和焓值等參數是溫度的函數。因此，溫度的測量精度直接影響熱量值的計算進度。

在應用該公式測量溫度以前必須對系統的各個測溫通道分別進行標定。

以下是各實驗機上根據公式（7）計算的結果，其中R 是在鉑電阻分度表中溫度為t 時對應的鉑電阻值，在實驗機上編寫迭代法程序，得出各次迭代的結果依次為t1，t2，t3，如表1 所示。

從表1 中可以看出，在熱計量儀表的整個測溫范圍內，應用公式（7）進行迭代兩次以后結果的絕對誤差小于0.02%；而迭代三次以后結果的絕對誤差小于0.01%，相對誤差不小于0.2%。

4 影響測溫精度的因素

4.1 當溫度點距離熱儀表較遠時，鉑電阻的引線電阻較大，而且其阻值還受環境溫度的影響，為了保證測量精度，可以采用三線制鉑電阻測溫度方案，它可在很大程度上消除引線電阻的影響，也可以采用四線制鉑電阻來完全消除隱線電阻的影響。

表1

4.2 由于制造工藝等原因具有一定的離散性，即溫度相同數位其電阻值也不完全相等。因此鉑電阻傳感器必須配對使用。根據CJ128-2000 標準，配對溫度傳感器相對誤差限為：E1=±{0.5+3△tmin/△t},△tmin為最小溫差。實際使用的鉑電阻傳感器的配對精度應該小于此誤差限。

4.3 安裝鉑電阻傳感器的探頭要超過管道的中心，使其充分接觸加載體。在熱計量儀表溫度探頭的使用過程中要注意保護導線的絕緣。在導線的接頭端與其他的導線接頭時要可靠連接，不能使接觸電阻過大。

4.4 在設計電路時要使鉑電阻的電流不大于1mA，防止電流通過時鉑電阻自身產生的熱而影響精度。

5 結論

5.1 溫度的測量精度直接影響熱量的計量精度。

5.2 使用牛頓迭代法對溫度測量進行軟件處理時，只要參數AB 擬合準確，初始溫度選取得當，用較少的迭代次數就可以得到很高的測量精度。

5.3 一些硬件因素也必須要考慮，鉑電阻傳感器應配對使用；盡量選取阻值大的鉑電阻Pt1000,以減少引線電阻的影響，提高溫度測量的精度。