1、2023年10 月第3 9 卷第10 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryOct.2023Vol.39 No.10硅PN结数字温度计在天然气计量中的适用性评价蒋佩忧，徐永洪，羊映，谭志宏，李婷，罗涵，张勇，侯翔译中国石油西南油气田分公司川西北气矿（四川江油6 2 17 0 9)摘要随着工业发展，传感器技术与通信技术高度融合的数字仪表已广泛使用于天然气行业，硅PN结数字温度计从2 0 世纪发展至今，其应用效果已取得行业的广泛认可，但在天然气计量的温度测量中使用较少。为分析验证硅PN结数字温度计在天然气计量中的适用性，在实验室对
2、硅PN结数字温度计开展多种计量性能测试，并与传统铂热电阻温度计进行比对，同时在现场工况条件下进行实际应用测试。结果表明：硅PN结数字温度计的计量性能在一定领域优于传统铂热电阻温度计，稳定性良好，但其响应速度略慢，现场稳定性良好，综合性能可适用于天然气计量的温度测量。关键词天然气；数字温度计；计量性能；温度测量D01:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.10.012Applicability Evaluation of Silicon PN Junction Digital Thermometer in NaturalGas MeasurementJIANG Peich
3、en,XU Yonghong,YANG Ying,TAN Zhihong,LI Ting,LUO Han,ZHANG Yong,HOU XiangyiNorthwest Sichuan Gas Mine,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Branch Company(Jiangyou,Sichuan 621709,China)Abstract With the development of industry,digital instruments with high integration of sensor technology and commu
4、nication technolo-gy have been widely used in the natural gas industry.Silicon PN junction digital thermometer has been developed since the 2oth centu-ry,and its application effect has been recognized by the majority of industries,but it is rarely used in the temperature measurement ofnatural gas me
5、asure.In order to analyze and verify the applicability of silicon PN junction digital thermometer in natural gas measure-ment,a variety of measurement performance tests of silicon PN junction digital thermometer were carried out in the laboratory and werecompared with the traditional platinum therma
6、l resistance thermometer.At the same time,practical application tests were carried out inthe field working conditions.The results show that the silicon PN junction digital thermometer has better measuring performance thanthe traditional platinum thermal resistance thermometer in some fields,with goo
7、d stability,but with slightly slow response speed.Andthe field stability is good,and the comprehensive performance can be applied to the temperature measurement of natural gas measure-ment.Key words natural gas;digital thermometer;metrological performance;temperature measurement蒋佩枕，徐永洪，羊映，等.硅PN结数字温度
8、计在天然气计量中的适用性评价 J.石油工业技术监督，2 0 2 3,3 9(10)：55-59.JIANG Peichen,XU Yonghong,YANG Ying,et al.Applicability evaluation of silicon PN junction digital thermometer in natural gas mea-surement JJ.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(10):55-59.在天然气行业贸易交接计量中，传统孔板流量计主要配套铂热电阻温度计进行气体流体的温度测量，但输出的
9、模拟信号采集需要经浪涌保护器、隔离式安全栅限流限压后形成一个本质安全电路，在控制室再经ADC转换为数字信号后传输至控制收稿日期：2 0 2 3-0 3-13；修回日期：2 0 2 3-0 6-2 5基金项目：中国石油西南油气田分公司川西北气矿科研项目“基于硅PN结温度传感器的天然气温度数字测量技术现场试验”(编号:2 0 2 1SY-02)。作者简介：蒋佩忧（19 9 2 一），男，工程师，主要从事质量与计量工作。E-终端，其数据才能应用于天然气流量计算，任一环节都会引入一定的误差，任一偏差均会对流量计量结果造成影响，A级计量系统测量回路最大误差可达0.3 5%，而温度测量结果测量偏差1会对标
10、准体积流量计算带来约0.17%的影响。硅PN结数字:56温度计将硅PN结与CMOS电路集成一体,经内部电容差转换，直接输出数字信号至流量计算机。数字信号的应用使其传输具有高稳定性，减少中间转换环节,能够满足天然气计量中温度测量的准确性要求，有效降低环境因素干扰，是推动计量数字化转型的重要探索。1硅PN结数字温度计介绍1.1构造及工作原理硅PN结数字温度计采用高灵敏度、高稳定性、测温元件1.2技术参数天然气场站使用的传统A级铂热电阻温度计测量范围一般为-2 0 8 0，温度测量允许误差为（0.150+0.0 0 2 lt)，t 为测量温度。而硅PN结数字温度计适用于-2 56 0 的工作环境，测
11、量范围为-3 0 7 0，温度测量准确度达0.2,年测量稳定性达到0.1，满足IEC/EN61000-4-54kV浪涌等级要求，通流容量50 0 A，具备ExibBT6 Gb防爆,外壳防护等级为IP66,其技术参数与传统铂热电阻温度计接近，能够满足天然气场站防爆要求及贸易计量需求。1.3信号传输方式在西南地区天然气场站中，目前温度测量多数使用铂热电阻温度计传输4 2 0 mA电流信号，经温度变送器转换为15V电压信号后，其数据进入流量计算机参与天然气流量计算。数字化仪表信号的传输同步技术要求很高，但较于传统模拟信号更为简洁,将现场的被测变量产生的模拟信号直接转换为数字信号,其数据直接通讯进入计
12、量计算机系统参与流量计算（图2），可以实现传输信号存储、处理和交换更为快捷，设备间更利于集成化。相较于传统铂热电阻温度计的模拟信号传输，硅PN结石油工业技术监督高精度的PN结温度传感器，并且集成了模数转换的电路、信号处理电路、直接输出数字信号，再送给单片机处理计算，并就地显示测量结果。其具有精度高、性能可靠、结构紧凑、安装方便、校准方式简洁等优点，其结构如图1所示。硅PN结数字温度计的测量原理是基于PN结正向电压与温度变化呈线性关系，通过测量介质的温度变化导致PN结正向电压变化，经过集成在PN结电路板上的转换器，直接输出温度数字信号，并实现就地显示测量示值。前盖玻璃液晶显示器外壳液晶按键不锈钢
13、外壳温度计杆体PN结电路板外壳方向定位孔图1硅PN结数字温度计结构图数字温度计测量回路误差仅由温度计本身误差组成，避免受到隔离器、A/D转换器所带来的精度损失，其测量回路准确度得到提升。RCC/DCC.-TCP/IP协议兼容器数字信号通讯协议-个数字信号温度传感器图2 硅PN结数字温度计信号传输路线图2计量性能测试硅PN结数字温度计利用二极管PN结正向压降随温度升高而降低的特性来测量温度，温度上升1,其结电压下降约2.10 mV,基本上呈线性变化，即其灵敏度为-2.10 mV/。在实验室内从示值准确度、重复性、稳定性等方面对硅PN结数字温度计开展计量性能测试，并与传统铂热电阻温度计在同范围内进
14、行模拟流量影响对比。外壳前盖前盖密封圈液晶显示器液晶显示器支架液晶电路板铭牌主板螺钉主板电路板外壳底板后盖密封圈外壳后盖蒋佩忧等：硅PN结数字温度计在天然气计量中的适用性评价2.1示值准确度示值误差是温度计较为重要的技术指标，根据JJF(川)13 9 2 0 17 数字温度计校准规范，选用二等标准铂电阻作为标准器具，将二等标准铂电阻与硅PN结数字温度计放置于同一稳定的标准温场标准温度1号/测量示值/示值误差/测量示值/示值误差/测量示值/示值误差/-24.9825.05-9.99-10.060.01-0.0710.019.9319.9819.9229.9929.9239.9839.9150.0
15、149.9059.9759.9069.9869.892.2重复性与稳定性重复性与稳定性是评价温度计适用性的关键参数5,选用3 支硅PN结数字温度计在温度为20、相对湿度为5 6%的环境中采用同一测试方式对0 测量点连续进行10 次测量,并以1个月为间隔，以同样方式进行-2 0、0、7 0 3 个温度点的测量，取其10 次测量结果平均值（表2），得出3 个间隔时间段内每个测量点的变化量（表3），测算其重复性与稳定性。表2 硅PN结数字温度计重复性试验数据测量次数1号/1-0.072-0.073-0.074-0.075-0.076-0.067-0.078-0.079-0.0710-0.07-0.0
16、6920.0032sy.)n-1注：为n个测得数据的算术平均值，y为第i次试验测得数值，n为重复测量次数，s(y)为贝塞尔公式计算所得的试验标准偏差。57中，对其进行示值校准，试验样品最大示值误差为-0.15，且符合A级铂热电阻相对应温度测量点的允许误差范围4，能够满足同等精度下的温度测量需求,见表1。表1硅PN结数字温度计示值准确度测试数据统计2号3号-0.07-24.94-0.07-9.98-0.080.01-0.0810.00-0.0620.000.0730.00-0.0740.010.1150.01-0.0760.01-0.0970.022号/3号/0.01-0.130.01-0.13
17、0.01-0.130.01-0.120.02-0.130.01-0.130.01-0.130.01-0.130.01-0.130.01-0.130.011-0.1290.003 20.003 2A级铂电阻对应温度值允许误差/0.04-25.130.01-10.130.00-0.13-0.019.880.0219.890.0129.900.0339.910.0049.910.0459.920.0469.93表3 硅PN结数字温度计稳定性试验数据变化量/测量点/1号-200.00300.002700.003结合天然气贸易交接计量对温度测量的需求及硅PN结数字温度计自身技术参数，设定硅PN结数字温度
18、计的示值漂移期望值达到0.1,因此稳定性允许变化量设为0.1。根据表2、表3 中数据得出硅PN结数字温度计试验样品以贝塞尔公式计算得到的标准偏差为0.0032,则其测量不确定分量s(y)/J为0.0 0 11,由于试验样品的测量允许误差为0.2，可知0.0011 1/3 0.2=0.0 6 6 7,其重复性试验合格。在稳定性测试中，试验样品4个月的最大变化量为0.0 0 3，小于设定的期望变化量指标。2.3响应时间阶跃响应时间是测量仪表计量特性的重要参数之一，有利于直观评价其测量与控制反应。以天然气计量中传统温度测量使用的A级铂热电阻温度计为参照，其热响应时间t63.230 s，一般tioo不
19、大于240s，利用标准温场温度以10 为阶跃依次递增，测量硅PN结数字温度计与A级铂热电阻温度计在06 0 范围内随温场变化至示值稳定所需的响应时间(表4),对比其计量响应性能。-0.15-0.14-0.14-0.13-0.09-0.09-0.07-0.10-0.05-0.05 0.20 0.17 0.15 0.17 0.19 0.21 0.230.250.27 0.292号3号-0.0020.002-0.0020.001-0.0010.002量支路分别安装1、2、3 号硅PN结数字温度计，其测量数据接人现场天然气流量计算机进行天然气测:58由表4测试数据可知，两种温度计在温度越高时,其变化速
20、率越快，硅PN结数字温度计在0 60温度段的阶跃响应时间相较于铂热电阻温度计更慢，但其热响应时间t3.2均小于3 0 s，在A级铂热电阻温度计要求范围内，满足A级计量系统的测量需求。表4硅PN结数字温度计与铂热电阻温度计响应时间对比测试数据铂热电阻温度计响应PN结数字温度计响应温场温时间/s度/163.20/102420223023402050166015注：热响应时间一般指从T阶跃到T的6 3.2%所需的时间，t63.2表示达到6 3.2%的响应时间，tioo表示完全阶跃10 0%所需的时间。标准温度/0703.2系统影响在GB/T18603一2 0 14天然气计量系统技术要求中明确A级计量
21、系统的温度测量仪表的最大允许误差为0.5，流量计算结果的最大允许误差为1.0%0,即瞬时流量允许偏差率为1.0%。在测量环境、装置参数、气质参数相同的情况下，给定测量流体温度，在现场计量系统中得到硅PN标准温度/系统显示温度/温度示值误差/理论标准瞬时流量/-30-30.046-25-25.052-20-20.056-15-15.059-10-10.062-5-5.0690-0.07254.926石油工业技术监督3现场应用测试在实际天然气计量场站，测量环境较为复杂，温度测量仪表多数不直接接触被测流体，线路连接与传输方式多样，测量准确度及信号传输的稳定情况与天然气测量结果的波动直接相关。3.1应
22、用稳定性分析将3 支硅PN结数字温度计送至法定计量检定机构依照JJF(川)13 9 2 0 17 数字温度计校准规范进行校准溯源后9,在某个天然气计量场站内两个时间/s不同输压且正常运行的计量支路和一个停用的计tio0163.216228166261602711224105229220表5 硅PN结数字温度计现场使用前后示值校准数据1号使用前/使用后/-0.07-0.169.8969.89-0.046-0.052-0.056-0.059-0.062-0.069-0.072-0.074tioo202190188162152153误差/使用前/使用后/-0.030.010.0070.02表6 硅P
23、N结数字温度计现场系统应用数据(m/d)(m/d)456 286.13456332447 861.02447910440 640.87440692433 996.22434048484 574.67484 635481913.96481979481 184.74481 251480 125.87480193量。通过现场使用一年，期间工艺流程等未发生变化，硅PN结数字温度计信号传输稳定，未出现过温度异常或无数据情况，并将该3 支硅PN结数字温度计送至同一法定计量检定机构对照一年前的校准点进行再次校准溯源，对比一年前后两次校准证书的检测数据见表5,最大示值漂移值为-0.0 3，反映出其在实际工况条
24、件下运行仍具有较好的稳定性，能够适应天然气生产现场。2号误差/0.00-0.0170.01-0.01结数字温度计温度测量示值与流量计算结果，与标准值进行对比见表6，其温度测量最大示值误差为-0.19 8，瞬时流量误差最大为0.0 3%，满足标准要求。但在实际应用中，由于数字传输技术的集成化，现场无法实现对温度计测量偏差调节，且更换温度计需对其传输信号对接匹配进行设置。系统显示瞬时流量/流量示值误差/3号使用前/使用后/-0.13-0.1269.9369.92瞬时流量(m/d)偏差率/%45.870.0148.980.0151.130.0151.780.0160.330.0165.040.016
25、6.260.0167.130.01误差/0.01-0.01蒋佩忧等：硅PN结数字温度计在天然气计量中的适用性评价标准温度/系统显示温度/温度示值误差/理论标准瞬时流量/系109.9281514.9222019.9182524.9193029.9183534.9114039.9084544.8024结论综上所述，硅PN结数字温度计在天然气计量的温度测量上有较好的应用效果，可依据JJF(川)1392017数字温度计校准规范进行量值溯源，能够适用于现场天然气贸易计量。1)硅PN结数字温度计在天然气计量的应用中，虽热响应时间上略差于传统的铂热电阻温度计，但其综合计量性能完全满足天然气A级计量系统的各项
26、测量需求，可替代铂热电阻温度计应用于天然气交接计量。2)硅PN结数字温度计信号传输简洁，线路铺设简单，不需要信号调理、转换等多个单元的线路连接，避免了人为操作影响的可能性，节约硬件成本费用，也减少了控制机柜的占用面积，降低了设计和安装工作量。3)采用硅PN结数字温度计进行天然气温度测量，相较于传统铂热电阻温度测量，减少了安全栅、AD转换两个中间环节，温度测量回路误差减小，且其仪表校准周期为一年，减少了常规计量回路每季度联校一次的人工成本，降低了工作人员的劳动强度,降低维护费用，提高了工作效率。4)硅PN结数字温度计由于数字技术的高度集成化，其转换器集成于内置PN结电路板，无法拆卸和操作，只能接
27、收到经转换后的数字信号，导致不能在现场进行偏差调节和曲线修正，若出现故障，只能对温度计进行更换，建议在主电路板集成对转换器的调节模块，并能够通过面板按键进行调整操作。传统铂热电阻温度计可直接更换测温元件，恢复线路连接后无需其他操作即可实现正常温度测59:续表6系统显示瞬时流量/流量示值误差/(m/d)-0.072462 027.43-0.078455380.98-0.082448 778.79-0.081442928.88-0.082457 198.96-0.089451 438.29-0.092445 125.88-0.198385 752.20瞬时流量(m/d)(m/d)462.08961
28、.57455.44564.02448 84465.2144300172.1245726364.04451 50566.71445 19367.12385873120.8量，但硅PN结数字温度计受传输协议匹配的限制，还要进行信号传输调整，较为复杂。参考文献：1宋海英,范劲松,江明,等.数字化仪表在天然气场站应用的效果评价 J.自动化应用,2 0 2 1(6):5 1-5 4.2李林静.浅谈国内外数字化计量技术新进展 .工业计量,2022,32(S1):109-111.3高庆斌.利用PN结作传感器的数字测温仪 计量技术,2000(12):28-30.4全国温度计量技术委员会.工业铂、铜热电阻:JJ
29、G2292010S.北京：中国计量出版社,2 0 10.5】张军,王杰文,张开兴.高精密数字温度计性能评价方法与应用分析 J.计量与测试技术,2 0 2 2,49(7):5 9-6 1,6 5.6】全国法制计量管理计量技术委员会.计量标准考核规范：JF10332016S.北京：中国质检出版社,2 0 16.7 曾刚,杨宏春.利用PN结Vf-T特性测温 J.实验技术与管理,2 0 0 5(7):2 7-3 0.8】潘磊.天然气集输常见自动化仪表可靠性分析 .化工设计通讯,2 0 18(4):10 5-10 6.9四川省质量技术监督局.数字温度计校准规范:JF(川)1392017S.成都：四川省质量技术监督局,2 0 17.10】国家标准化管理委员会.天然气计量系统技术要求：GBT186032014S.北京：中国标准出版社,2 0 15.11张忠楠.自动化仪表在天然气行业中的应用 J.中国石油和化工标准与质量,2 0 2 1,41(1):15 4-15 6.本文编辑：左学敏偏差率/%0.010.010.010.020.010.010.020.03
