石油倾点温度测试PT100温度传感器的标定

王传旭

摘要：作者设计了直径为3mm、长为27cm 的Pt100型传感器，根据0.10℃刻度的温度测试仪作为标定标准，利用软件来矫正其非线形失真，该产品实现对石油倾点温度信号的采集和标定。
关键词： Pt100传感器；电桥测温；石油倾点
中图分类号：TP336   文献标识码：B

一、引言

石油倾点温度是指管道内凝固态的原油开始融解流动的最低温度。国际上测试规程要求每隔2℃就要对其流动情况进行判断并测温，但由于石油运输管线很长，原油每升温1℃需要大量能源，因此对倾点温度测量的精度对油田节能有重大意义。我们选用Pt100温度传感器来完成对石油倾点温度的测量。

二、Pt100工作原理及其主要技术参数

Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为^[1]：
    （1）-200℃<t<0℃时，R_Pt100=100[1+At+Bt²+Ct³（t-100）]                          （1）
    （2）0℃≤t≤850℃时，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温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│）， B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

 三、倾点温度测量原理：

1、原理方框图

根据倾点温度测试的国内外要求—温度每降2℃就要对油样的凝结情况进行检测，我们设计了测量过程（如图1）。

2、电桥采集数据的电路图及原理

    Pt100电桥电路如图2所示。其中，R₁﹑R₂﹑R₃﹑R_Pt100组成电桥，R₁=R₂=R₃=R₀。为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，电桥电压不宜太高，一般要求I_m<5mA，电桥电压V_brg=1V。电桥输出压差为：

  V_D=    （3）

令R_Pt100-R₀=ΔR，则有：

 V_D=                      （4）

由Pt100温度/阻值对应关系式可知，当温度较低时，Pt100的阻值变化量ΔR相对于R₀较小，则电桥输出压差为： V_D= ，即V_D正比于Pt100传感器的阻值变化量ΔR，也说明温度较低时，Pt100传感器的线性度良好；当温度较高时，ΔR/R₀的值较大，Pt100传感器的线性度变差，此时要用软件来较正。

四、测量中的定量计算及误差分析

1、运算放大器放大倍数的确定

由传感器的温度和阻值关系式可知，当温度变化1℃时，Pt100的阻值变化约为0.38W，对应的电桥输出压差为：V_D= =0.001V。

若采用8位A/D转换器，分辨率为0.0196V，则运算放大器的最小放大倍数应为20倍。若测温的上限定为85℃ （倾点温度一般小于该温度）， Pt传感器在85℃时的理论阻值为132.8W，电桥电压为1V，则V_D= 0.08296V≈0.083V，即运放的最大放大倍数为60.3。综合上述，可限定运放的放大倍数应在20～60之间。

2、误差分析

（1）桥电压V_brg=1V时波动产生的误差^[2]

从上面的分析可知，在某一温度时，Pt﹑R₀不变，设电桥电压有ΔV_brg（mV）的变化，就会导致V_D有 （mV）的变化。在0℃时，ΔR=5W，则V_D= =0.013ΔV(mV)；若令ΔV_D=1mV，则ΔV=76mV，即0℃左右，电桥电压V_brg有76mV波动，会引起1℃的温度误差；同理在85℃左右，电桥电压有10mV的波动，则会引起1℃的温度误差。可见电桥电压V_brg=1V时的波动系数给对测温带来的误差是很大的，应将其电压波动限制在1mV的级别上。

（2）运放非线性产生的误差

由于运放的放大倍数应在20～60之间，可将放大倍数定为50；若测温范围是0℃～85℃，则在0℃时，V_D=13mV；在85℃时，V_D=99.5mV，说明输入信号的范围在13mV～99.5mV之间变化。以平均值50作为放大倍数，此时输入信号为13mV，换算出来的输入电压信号值为12.48mV，ΔV_D=-0.52mV，将会引起约1.5℃的误差。由此可见运放的非线性将会带来大约1.5℃的误差，在实际测量中，提高运放线性度以及运放放大倍数均可以减少由运放带来的误差。

（3）A/D转换器非线性带来的误差

在实际应用中会发现，对同一模拟输入信号V_i，经A/D转换得出的数字量会有±1位的跳变，这是由A/D转换器的判断误差造成的。A/D转换器的一位跳变对应的电压值，即为该八位A/D转换器的分辨率，为0.0196V=19.6mV；折算到输入端对应的电压值为0.392mV，将会产生0.392℃的温度误差。

（4）A/D转换器参考电压V_ref带来的误差

A/D转换器采用逐次逼近式转换器AD0809，其转换速度较慢，如果输入信号在转换过程中不断变化，则易发生错误，使用时应加采样保持器，且只对本次采样的信号进行转换，以确保转换信号可靠性。另外，在比较转换过程中，V_ref的变化会对输出的二进制代码有影响。在模拟输入信号不变的情况下，若V_ref变大，会导致输出的二进制代码变小；反之，则变大，从而导致了温度误差。

五、注意事项与结论

使用中应注意，由于热惰性会使热电阻阻值变化滞后，为消除误差，应尽可能地减少热电阻保护管外径，适当增加热电阻的插入深度使热电阻受热部位增加。要经常检查保护状况，发现氧化或变形应立即采取措施，并定期进行校验。热电阻应避免放置在炉旁或距加热体太近，应尽量安装在震动小的地方；同时为便于施工和维护。安装位置应尽可能保持垂直，但在有原油流动时则必须倾斜安装，接线盒出孔应向下。

由上面的分析可得，为了提高温度测量的准确性，应使用1V电桥电源﹑A/D转换器的5V参考电源要稳定在1mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器﹑A/D转换器和运放的线性度要高。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在±0.2℃。

参考文献：

[1] 常健生. 检测与转换技术[M]. 机械工业出版社， 1999
[2] 朱宇光. 单片机应用新技术[M]. 电子工业出版社， 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

作者简介：

王传旭，石油大学（北京）工业自动化硕士，现在青岛科技大学信控学院任教，目前在中国海洋大学海洋遥感所读在职博士。主要研究方向为信号检测与处理。
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