1 引言
高炉软水密闭循环系统冷却壁水温差测量问题在我国冶金行业一直是个没有解决的难题。随着高炉控制技术的发展和工艺要求的提高，高炉冷却水温差测量和控制就显得更为重要。在实际生产中，冷却水温差过大反映了炉壁温度过高，严重影响高炉寿命，加大冷却水量就可以使温差变小，但温差过小则造成能源浪费，增加生产成本。准确稳定的测量温差是控制的基础，对于高炉热负荷的计算，冷却水温差是一个重要的参考数据。从现代炼铁工艺要求看，准确稳定的水温差测量对指导高炉炉型的维护至关重要。
以武钢1号高炉(22 00m 3)为例，冷却水温度测量点围着高炉分为8列，每列由下到上用6只传感器分为5段测量。从下部进水到上部出水总的温差最小为3℃，平均每段温差仅0.6℃，实际情况是:有的段可能达到1℃，其他段的温差就可能小于0.5℃ 。为避免温差示值的逆转(进水温度高于出水温度)就要求温度测量仪表的绝对误差必须小于0.2℃ 。
由于高炉工作环境差，温度高，湿度大，温差测量信号极小的原因，现在普遍采用的测温技术及测温系统分辨率、一致性和稳定性方面都达不到要求。因此，研究一种高分辨率、高精度、高稳定性的优良测温传感技术，对高炉冷却水温差进行测量势在必行。
2003年3月，武汉钢铁公司将其列为重点科研攻关项目，6月将武钢计控公司自行研制的产品在1号高炉做了为期1个多月的现场试验，拆下后在实验室通过了使用前后的数据对比试验，以后又以1列6只的方式安装在1号高炉运行至今。产品于11月通过了全性能样机试验。
2 铂热电阻测里的误差分析
铂热电阻具有线性好，重复误差小，适用于多种测量环境等优点。但在测量范围极小，误差要求很高的情况下，这种测量方法存在一定的缺陷。造成测量误差的原因有多种，由铂热电阻测温的原理可知，温标一t分度表是以Rpt的体电阻变化对应被测温度的，该分度并不包括由在实际测温系统中引人的接线端子接触电阻以及线路电阻所造成的附加误差，而仅仅只包含了铂测温元件体电阻制造过程所带来的离散误差。
目前，常温的测量都是采用Pt100或Pt1000热电阻，因此在恶劣环境下要想准确稳定分辨零点几度的温度是完全办不到的。以MOO为例，其本身的性能就不能满足工艺要求，MOO在0℃时允许误差为0.3℃,100℃时允许误差可达0.8℃。随机选用的传感器不可能满足要求。我们曾用筛选的方法选过一批特性较一致的热电阻，但使用不到一周就开始出现问题。
不考虑二次仪表的误差、分辨率以及Pt100本身的误差，理想情况下热电阻每度仅有0.38Ω的变化量。而在高炉现场接线处的电阻就可能从零欧姆变到几欧姆，不仅如此，这还是一个可变化的量，接头处潮湿、生锈、过紧、过松都会导致电阻不一样。接触电阻每变化0.1Ω都会使示值变化0.26℃，就可能造成进出水温度示值的逆转，令温度示值毫无价值。用Pt1000情况会好一些，其分度为0.264℃/Ω，但也无法克服接线处的电阻变化超过1Ω以上出现的问题。
在实际温度测量时，使用热电阻作为温度传感器的测温系统中，常常使用平衡或不平衡电桥作为热电阻的测量电路。由于热电阻的温度/电阻的变化分度值很小，所以导线电阻值的引人不可忽视。以Pt100铂热电阻为例，若测量导线电阻为1Ω，将产生2.56℃的附加测量误差。为了解决这个问题，一般采用如图1所示的三线式电桥连接法测量电路。
图1中Rt为铂热电阻，r1,r2,r3为引线电阻，R1= R2为桥臂电阻，R3为精密调整电阻。由于测量仪表I内阻很大，因此r3的引人对其影响不大。若使r1=r2，态校准时，调R3使R3 = R1就可消除引线电阻的影响。
实际的工业测量回路中，在图1的基本接法中还有端子连接电阻、导线电阻不均匀等影响测量精度的因素，如图2所示。这种测量方法对于精度要求不高的一般对象是可以广泛采用的，r1≠r2≠r3 ，接线端子电阻r1’ ,r2’ ,r3’和r1”, r2”, r3”的影响可以忽略不计。而对于测温精度和分辨率要求极高的高炉软水密闭循环系统冷却壁层间进出水温差测量系统而言，图2所示的各种附加测量误差因素的引人就不得不认真考虑了。
3 方案
我们也曾采用石英晶体温度传感器，试图提高其分辨率和测量精度，但它的理论值和实际值相差太远，一致性也太差，还要配专用的变送器，成本很高，使用维护也极不方便，这项技术离实际工业应用还有一定距离。
针对上述问题，我们研究开发了一种高精度半导体温度测量变送器，在1号高炉分别做过三次试验，效果非常理想。对其在高炉使用前后的检测数据进行了对比和分析，测量值几乎没有变化。我们认为，这种高精度半导体温度测量变送器可以圆满地解决高炉软水密闭循环冷却水温差高精度测量这个问题。
3.1 检测原理
检测原理如图3所示。
温度传感器采用稳定性很好的进口半导体温度传感器，测温范围0~60℃，用其整个测量范围的1/4来优化分辨率，使得实际的技术指标大大优于标称的技术指标。
3.2 结构
与现有的测温方案相比，主要有两点大的改动。一是采用传感器和温度变送器一体化设计的结构，用两线制模式直接输出4一20 mA标准信号，有利于远距离信号传输，彻底克服了导线电阻和端子接触电阻的影响，线路、接头等附加电阻在几十欧姆内变化对输出信号都没有影响。二是用浸人式的方法将传感器和温度变送器同时置放于冷却水中，这在高炉冷却水温度变化范围很小这个特定条件下，是提高精度、提高稳定性非常有效的方法。高炉冷却水一般情况下进水温度最低为30℃，出水温度最高51℃，一般夏天工作在40℃左右，冬天在35℃左右。5段总的温差最小为3℃，最大也不过7℃(7℃已是很不正常了)。每段温差最小为0.5℃，最大约为1.5℃。可见冷却水温度是一个相对稳定的温度场。将温度变送器放在其中相当于放到一个“恒温”槽内，对于温差测量用的温度变送器更是在一个近乎等温的温度场中。这样小信号测量中最常见的温漂问题就得到了很好的解决，温度变送器的整体性能也得到了提高，高炉恶劣的环境温度对这个温度测量变送器几乎完全没有影响。
一体化的设计方案需要温度变送器微型化，模拟仪表要保证高精度需要相应的电路支持，这都要涉及许多具体的技术问题，在这里就不细述了。
3.3 主要技术指标
量程 : 20~58℃/4一20m A;
最小分辨率:<0.02℃;
绝对误差 ：<0.15℃
工作段 3 0一48℃的绝对误差<0.1℃;
作为温差测量配对用的变送器总体不一致性<0.15℃;
负载电阻 250一270Ω;
电源 : 24 VDC士1V
3.4 误差分析
经全性能样机试验和在现场使用，上述指标是可行的，精度指标均达到0.3%以上，换算后全量程绝对误差<0.1℃。
根据其中一只新型变送器的误差作实测分析图表(如图4所示)。从图4可以看到最大绝对误差≤0.035mA，最大相对误差为0.22%，换算成温度为0.0831℃。常用工作段为34℃到42℃，图4可看出在32℃处，约在8.21 mA，至42℃，约在12.421mA，这一段的最大误差小于0.02 4m A。换算为温度误差则小于0.057℃。其测量总体不确定度为:
U= 0 .04 ℃;P=0.95;k=1.96
在实验室用万分之五的标准数字表对输出电流进行检测时，小数点后第三位数可稳定保持不动。
4 应用情况
最终影响测量精度的还有外部电源的精度、显表的精度。对于电源我们做过试验，24 V电源变化士3V对变送器信号输出毫无影响。而实际应用中，将一列(6只)或所有的变送器共用一个电源，那么电源的变化对所有变送器的影响是同样的，对于温差测量的影响更是为零。现在的测量系统多采用集散系统，采用每列(6只)变送器共用一个AI模块的方法，A/D转换的误差对每只变送器的影响是一样的，对于温差测量的影响也为零。
高精度温度测量变送器的使用非常方便，它的外型和过去的Pt100热电阻温度传感器几乎一样，可用老的方法在原来的测量点上很方便地插人冷却水管，配上电源接人AI模块即可。我们在武钢1号高炉的试验就是接人PLC的同一AI模块，4 -20 mA信号经标准电阻变换为1一5 V信号，用计算机做一简单的运算就能直接显示温度，再做一减法运算就能直接显示温差。本技术已实现产品化，并申报了国家专利。武钢新近投产的6号高炉(3 200 m3)冷却壁软水密闭循环系统温差测量系统全部采用高精度测量装置，测量效果较好。
