为什么用配对的铂电阻作为热量表温度探头

2020/2/18 0:42:20 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:/tech/2918.html

热量表在按热量计量收费的体系中是一个关键的仪表。它的测量是供热体系中按热量计量收费的重要依据,因此它的测量精度,工作稳定性等技术指标是非常重要的,为了保证热量表的高质量和高性能,选择性能优良的温度传感器并正确使用是非常重要的。

热量表工作原理

热量表的基本工作原理是:将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上,将流量传感器安装在入口或出口管上。流量传感器发出与流量成正比的信号,配对温度传感器给出表示入口和出口的温度信号,计算器则将流量的信号和温度的信号收集起来,经过计算,显示出载热液体从入口流至出口所释放的热量值。

热量表主要由流量传感器、配对温度传感器和计算器等部分组成。热量表按结构类型一般可分为一体式热量表和组合式热量表。


热量的计算公式:

式中:Q为释放的热量,J;V为载热液体流过的体积,m3,V=V1-V2;△θ为热交换回路中载热液体入口处和出口处的温差,℃;K为热系数,它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数,J/m3℃。

从上面的公式可以看出,△θ是一个非常重要的指标。它的精度等级对热量表的精度影响是明显的。另一个影响热量表的精度的重要因数是流量计的精度,但是,提高流量计的精度或者很困难或者成本太高难以承受。比较之下,提高热量表温度探头的测量精度是非常重要的,并且是可行的 。


温度是表征物体冷热程度的物理量,可以用来测量温度的敏感元件有许多种,在现阶段的温度测量领域中,应用最广泛的就是热电阻和热电偶。热电偶有价格低廉,热响应快等优点,但它的精度,重复性,稳定性等都比铂电阻低。对热量表而言,由于它对温度传感器的性能指标要求非常高,所以使用铂电阻作为热量表温度传感器是最合适的。由于铂电阻有许多优良的特性,IT-90温标中将标准铂电阻温度计用来作为复现仪器。


铂电阻的特性

工业仪表选择铂作为热电阻材料,是因为它具有耐腐蚀、易加工以及极佳的可重复电特性等优点。铂的这些特点被写入国际电工委员会(IEC)的 751号标准中,以保证其具有通用性。IEC751标准确定了铂电阻在不同温度下的阻值及允许误差。附加定义还包括热电阻的标准值及其温度测量范围:-20~0℃和0~800℃,这两个范围内的数学模型不同,但参数相同。
-20~0℃内:R(t)=R0[1+At+Bt2+C(t-100 ℃)t3]
0~800℃内:R(t)=R0(1+At+Bt2)
公式中:A为3.9083×10-3-1;B为-5.575×10-7-2;C为-4.183×10-12-3;R0指热电阻在0℃时的标准值。

IEC751规定这个标准值为100.00Ω,因此常说Pt100热电阻。也有分度号500Ω和1000Ω的热电阻,它们的优点是灵敏度高,即当温度变化时电阻的变化量大。


在100℃范围内电阻随温度的变化量大致如下:Pt100热电阻为0.4Ω/℃;Pt500热电阻为2.0Ω/℃;Pt1000热电阻为4.0Ω/℃。

IEC751规定了两种精度等级:等级A:△t=±(0.15+0.002×|t|);等级B:△t=±(0.30+0.005×|t|) ,式中t为温度的绝对值(无符号)。

热量表温度探头(铂电阻)的特点

铂电阻是一种性能非常优良的温度传感器,虽然它的价格要比铜电阻及其他热敏电阻高,但是它的综合性能指标是最好的,特别是随着薄膜铂电阻生产技术发展,它在0~200℃范围内的稳定性可以与绕线式传感器相比。而它的价格要比绕线式传感器便宜很多,具备大批量生产的优势。但是,用于热量表的铂电阻并不是把IEC751中规定的A级或B级温度传感器直接拿来用就可以了。根据热量表的技术特点:热量表必须使用铂电阻温度探头并且要匹配成对。这其中的铂电阻温度探头首先要满足如前所述的IEC751的要求。

CJ 128-2007标准和欧洲EN1434-4标准对热量表温度探头配对误差限的要求是: △(△θ)/△θ=±(0.5+3△θmin/△θ)%,式中:△(△θ)/△θ为温度差的测量误差的相对误差;△θ为实际入口和出口之间的温度差;△θmin为最小温差。


根据实际情况要求△θmin可选为3,则:△(△θ)=±0.105℃。
在3℃最小温差下,热量表的两个传感器的配对允差是0.105℃,大于这个值就不能满足要求。铂电阻温度传感器的误差表达式如下: B级的误差:t=(0.30+0.005×|t|);A级的误差:t=(0.15+0.002×|t|)。
从以上两个表达式可以看出:即使是使用A级铂电阻其误差已大于热量表对铂电阻温度传感器的要求,B级的铂电阻产生的误差就更大。因此,对热量表所用的两个铂电阻进行配对是非常必要的。

为了符合热量表的要求,在实际的热量表温度探头的生产过程中,首先要使温度探头的技术性能指标满足IEC751的规定,达到A级或B级的水平,在这个基础上再按热量表的要求选择铂电阻并进行配对,配对时要在3个温度点上进行配对,这样才能在整个测量温度范围内保证配对的精度。铂电阻的测量点必须在以下温度范围上选3个检测点,其高、中、低应均布选择:(5±3)℃、(40±5)℃、(70±5)℃、(90±5)℃、(130±5)℃、(160±5)℃。在使用中,为不同用途的热量表选择不同的温度探头温度范围。热量表所用的铂电阻通常有Pt100,Pt500,Pt1000等种类。使用Pt1000有许多的优点,由于它的电阻值变化量大,因此测量的灵敏度高,对仪表的设计很有利,其次对降低系统的功耗有利。另外由于传感器本身的电阻增大,因此导线电阻对整个测量的影响就减少了。


热量表温度探头在标准配对时,上水探头是红色标签,回水探头是蓝色标签,标签上面有可查询的配对编号,配对报告测量值根据每个探头配对编号进行分类。热量表温度探头测量是在与实际所应用的插深类似的情况下进行的,这样可以将结构上有误差的热量表温度探头挑出去。
热量表温度探头

铂电阻在热量表中的应用

热量表所使用的铂电阻有几种形式,对管子公称通径DN250以下的,可以选择两种不同的热量表温度探头结构:直接插入的短探头为直接导线连接的探头;在套管中插入的长探头为带接线盒的有长金属保护管的探头。长探头是不带电缆型的温度探头,而短探头只允许带固定的连接信号电缆。

短探头直接插入双向球阀或一体带测量接口的T形接头,关闭阀门后就可以直接更换温度探头,避免因更换探头而将整管排空;对不同规格的管道,只须改变球阀联接管径,不必更改相关的探头安装尺寸。但应注意的是短探头的插入深度应超过管道中线。


长探头的安装采用加保护套的方法,既先在管道上安装一个保护套,然后将温度探头插入保护套中,长探头因有外加套管,安装更方便,更换温度探头时,可直接插拔,避免因更换探头而将整个回路排空。


在热量表温度探头的使用过程中要注意保护导线的绝缘。进水管,回水管探头必须为同一规格。在导线的接头端与其他的导线接头连接时要可靠连接,不能使接触电阻过大,以Pt100为例,一般不超过5mΩ。在电路中,流过铂电阻的电流不要大于1mA。


热量表温度探头所使用的铂电阻是一个对性能要求非常高的元器件,只有选择性能优良的铂电阻,按正确的方法使用,才能使热量表测量出正确的热量值,保证热量表计量热量时的正确性和可靠性,这对保证整个热计量收费体系的正常运转是非常重要的。

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