山東建筑大學(xué)熱工檢測(cè)課6章

1、第六章 接觸測(cè)溫方法的討論第1節(jié)管內(nèi)流體溫度測(cè)量第2節(jié)壁面溫度測(cè)量第3節(jié)高溫氣體溫度測(cè)量第4節(jié) 熱電偶測(cè)溫的抗干擾措施接觸式測(cè)溫：測(cè)溫時(shí)儀表的感溫元件必須與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，此時(shí)儀表指示的溫度是測(cè)溫元件本身的溫度，與被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)溫度有差別。本章的任務(wù)：研究這種差別的大小及其減小的方法。如用熱電偶測(cè)量鍋爐過(guò)熱器后的煙氣溫度tb，熱電偶熱端溫度為t，由于tbt，所以煙氣就以對(duì)流、輻射及傳導(dǎo)方式將熱量Q1傳給熱電偶；熱電偶冷端處于溫度為t3的環(huán)境中，t3遠(yuǎn)低于t，因此就有熱量2沿著熱電偶套管傳給周?chē)h(huán)境;過(guò)熱器管壁溫度為t1，省煤器管壁溫度為t2。t1和t2都低于t，故熱電偶以輻射方式將熱量3傳給

2、過(guò)熱器及省煤器。熱電偶接受的熱量為1；，散失的熱量為23，達(dá)到熱平衡時(shí)Q1=2Q3，即補(bǔ)充的熱量等于散失的熱量。然而只有ttbt時(shí)，才會(huì)有Q1，也就是說(shuō)t永遠(yuǎn)不可能等于tb。 t就是測(cè)溫誤差。要減小t使感受件的溫度接近被測(cè)介質(zhì)的溫度，就必須增大煙氣對(duì)熱電偶的傳熱和減小熱電偶對(duì)外的傳導(dǎo)散熱和輻射散熱。第1節(jié)管內(nèi)流體溫度測(cè)量管道中的蒸汽溫度或水溫度的測(cè)量圖。在管道中流過(guò)溫度為tb的流體，管道周?chē)橘|(zhì)的溫度為t3，如果t3tb，就有熱量沿感受件向外導(dǎo)出，這就是導(dǎo)熱損失由于存在著導(dǎo)熱損失，感受件的溫度t1比流體溫度tb要低些，即產(chǎn)生了導(dǎo)熱誤差(由于保護(hù)套管或測(cè)溫管的直徑不大，可假定感受件和其外面的保護(hù)

3、套管或測(cè)溫管的溫度一致的，都是t1)如管道中流過(guò)的介質(zhì)是氣（汽）體，測(cè)溫管附近無(wú)低溫的冷壁，管道外又敷有絕熱層，即管道內(nèi)壁溫度較高，且介質(zhì)的溫度tb不太高時(shí)，測(cè)溫管對(duì)管子內(nèi)壁的輻射散熱影響可以忽略。如果管道中介質(zhì)為液體，則測(cè)溫管對(duì)管內(nèi)壁不會(huì)有輻射散熱。在以上情況下，根據(jù)傳熱學(xué)的原理，可得導(dǎo)熱誤差公式1、2：管內(nèi)外介質(zhì)對(duì)測(cè)溫管之間的放熱系數(shù)；1、2: 管內(nèi)外兩段測(cè)溫管的熱導(dǎo)率，二者相等U1、U 2 ：兩段測(cè)溫管的截面周長(zhǎng)，F(xiàn)1、F 2:管道內(nèi)、外兩段測(cè)溫管的截面積L1、 L 2: 管道內(nèi)外測(cè)溫管的長(zhǎng)度。 從式可見(jiàn)：1）在測(cè)溫管向外散熱的情況下，誤差不可能等于零。2）管道中流體與管外介質(zhì)的溫度差

4、tb-t3 越大，測(cè)溫誤差越大。為了減小誤差，應(yīng)該把露出在管道外的測(cè)溫管用保溫材料包起來(lái)，這樣不僅使得露出部分溫度提高，減小導(dǎo)熱損失，而且也使露出部分和外面介質(zhì)的熱交換減少，放熱系數(shù)2 減小，因此可以減小測(cè)溫誤差。從式可見(jiàn)：3）當(dāng)L1增加，即插到管道內(nèi)介質(zhì)部分測(cè)溫管長(zhǎng)度增加，雙曲余弦ch(b1L1) ，雙曲正切th(b1L1)都增加，導(dǎo)熱誤差減??；當(dāng) L2減小，雙曲余切cth(b1L1)增加，測(cè)溫誤差也減小。4）當(dāng)放熱系數(shù)2增加，b1增加時(shí)，誤差減小。因此應(yīng)該把感受件放在流體速度最高的地方，即管道中心軸線上。從式可見(jiàn)5）增加 U1/F1使b1增加，可以使誤差減小。所以要想增加U1/F1 ，就應(yīng)

5、該使測(cè)溫管的壁厚、外徑盡量減小，也就是應(yīng)將測(cè)溫管做成外形細(xì)長(zhǎng)而壁厚很薄的形狀。從式可見(jiàn)6）測(cè)溫管材料的熱導(dǎo)率1小，則b1增加，誤差減小。因此測(cè)溫管常用導(dǎo)熱性質(zhì)不良的材料如陶瓷，不銹鋼等來(lái)制造（應(yīng)該注意，采用這類(lèi)材料制造測(cè)溫管使會(huì)增加導(dǎo)熱阻力，使動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差增加）。至于減少b2的問(wèn)題，關(guān)鍵在于使2變小，方法是在測(cè)量管的露出部分加絕熱層。圖6-4表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管道中流過(guò)壓力為3M Pa ，溫度為386攝氏度的過(guò)熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s方案1采用鉑電阻溫度計(jì)，沿管道中心線插的很深，安裝部位的管道有很厚的絕熱層，測(cè)溫管露出部分很少，這種方案的測(cè)量誤差接近于零；

6、圖6-4表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管道中流過(guò)壓力為3M Pa ，溫度為386攝氏度的過(guò)熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s方案2采用水銀溫度計(jì)，測(cè)溫管外有絕熱層，熱電偶插到管道中心，其測(cè)量誤差為-1攝氏度；方案3與方案2的不同之處是測(cè)溫管的直徑和管壁厚度都較大，因此誤差也增大了，達(dá)到-2攝氏度；圖6-4表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管道中流過(guò)壓力為3M Pa ，溫度為386攝氏度的過(guò)熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s方案4與方案2不同的地方是測(cè)溫管沒(méi)有插到管道中心（L1較小），因此誤差達(dá)到-15攝氏度，即-4%左右；圖6-4表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管

7、道中流過(guò)壓力為3M Pa ，溫度為386攝氏度的過(guò)熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s方案5安裝地點(diǎn)的管道沒(méi)有絕熱層，而且溫度計(jì)的露出部分L2較長(zhǎng)，L1又不象方案1中那樣長(zhǎng)，因此測(cè)量誤差達(dá)到-45攝氏度，即-12%。圖6-4表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管道中流過(guò)壓力為3M Pa ，溫度為386攝氏度的過(guò)熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s圖例子說(shuō)明了，在測(cè)量管道中的流體溫度時(shí)，如果遵循前面提出的原則來(lái)安裝溫度計(jì)，測(cè)量誤差是可能減至極小的。1-熱套式熱電偶；2-充滿介質(zhì)的熱套；3-保溫層；4-安裝插座熱套式熱電偶在電廠中測(cè)量高溫高壓主蒸汽溫度的熱電偶會(huì)遇到如下問(wèn)題：由于

8、高溫高壓氣流的沖刷，伸至管道中心處的熱電偶容易產(chǎn)生振動(dòng)斷裂事故。為了防止斷裂，應(yīng)減小熱電偶插入管道中的深度L1。L減小使得測(cè)溫誤差增大，為此采用高壓焊接固定錐形熱電偶。熱電偶保護(hù)套管焊在水平主蒸汽管道上部的一根垂直套管上（如左圖所示），蒸汽通過(guò)熱電偶保護(hù)套管與主蒸汽管道壁之間的空隙進(jìn)入垂直套管上部，對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱，因此，雖然熱電偶插入主蒸汽管道中的深度減小了，但受到蒸汽加熱的保護(hù)套管長(zhǎng)度L1反而增加了，這樣就解決了熱電偶容易斷裂和測(cè)溫偏低之間的矛盾。第2節(jié)壁面溫度測(cè)量壁面溫度測(cè)量的問(wèn)題在工業(yè)上遇到的比較多，例如，火力發(fā)電廠中的鍋爐過(guò)熱器管壁溫度的監(jiān)視，對(duì)大型鍋爐的安全運(yùn)行是不可缺少的。第2節(jié)

9、壁面溫度測(cè)量目前較多的是采用熱電偶來(lái)測(cè)量固體表面溫度，這是由于熱電偶有較寬的測(cè)量范圍，較小的測(cè)量端，能測(cè)量“點(diǎn)”的溫度，而且測(cè)溫的準(zhǔn)確度也較高。但是，用熱電偶測(cè)量管壁溫度和一切接觸測(cè)量方法一樣，由于被測(cè)表面沿?zé)犭娕加袩崃繉?dǎo)出，破壞了被測(cè)表面的溫度場(chǎng)，熱電偶所測(cè)量的溫度實(shí)際上是破壞溫度場(chǎng)以后的表面溫度，因此就產(chǎn)生了測(cè)量誤差，下面來(lái)分析這些誤差。一熱電偶導(dǎo)熱誤差進(jìn)行表面溫度測(cè)量的熱電偶與被測(cè)表面的接觸形式，基本上有四種。一熱電偶導(dǎo)熱誤差（a）為點(diǎn)接觸，即熱電偶的熱端直接與被測(cè)表面相接觸一熱電偶導(dǎo)熱誤差（b）為面接觸，即先將熱電偶的熱端與導(dǎo)熱性能良好的金屬片（如銅片）焊在一起，然后使金屬片與被測(cè)表面

10、緊密接觸；一熱電偶導(dǎo)熱誤差（c）為等溫線接觸，熱電偶的熱端與被測(cè)表面直接接觸，熱電極從熱端引出時(shí)沿表面等溫敷設(shè)一段距離（約50倍熱電極直徑）后引出，熱電極與表面之間用絕熱材料隔開(kāi)（被測(cè)表面若是非導(dǎo)體除外）；一熱電偶導(dǎo)熱誤差（d）為分立接觸，兩熱電極分別與被測(cè)表面接觸，通過(guò)被測(cè)表面（僅對(duì)導(dǎo)體而言）構(gòu)成回路。一熱電偶導(dǎo)熱誤差對(duì)上述四種形式來(lái)說(shuō)，通過(guò)兩熱電極向外散失的熱量可以認(rèn)為是一樣的，只不過(guò)（a）是將散熱量集中在一“點(diǎn)”上；（d）是將散熱量集中在兩“點(diǎn)”上；（b）的散熱量則由金屬片所接觸的那塊表面共同分?jǐn)偅?一熱電偶導(dǎo)熱誤差在相同的外界條件下，（a）的導(dǎo)熱誤差最大，（d）次之，（b）較小，（c）

11、的兩熱電極的散熱量雖然也集中在一個(gè)較小的區(qū)域，但由于熱電極已與被測(cè)表面等溫敷設(shè)一段距離后才引出，散熱量主要是由等溫敷設(shè)段供給的，熱端的溫度梯度比另外三種形式的要小得多，所以（c）的熱端散熱量最小，測(cè)量準(zhǔn)確度最高。測(cè)量誤差不僅與熱電偶熱端的接觸形式有關(guān)，而且還與被測(cè)表面的導(dǎo)熱能力有關(guān)，如被測(cè)固體壁面材料為玻璃，陶瓷等，它們的導(dǎo)熱性能很差，這時(shí)如采用（a）的接觸形式，則誤差很大，而采用（b）接觸形式，誤差就大大減小，這是因?yàn)榻饘倨瑢?dǎo)熱性能好。當(dāng)金屬片有比較大的面積時(shí)，導(dǎo)走相同的熱量所需要的溫差會(huì)大大減小，熱電偶熱端溫度就不致降低太多。 如果熱電偶的直徑粗，則散失的熱量多，熱端溫度改變就大；直徑細(xì)，

12、向外散失的熱量少，熱端溫度改變就小。如果壁面上方氣流的速度增大，則熱電極散失的熱量就多，熱端的溫度改變就大；反之，壁面上方氣流速度小，則熱電極散失的熱量就少，熱端的溫度改變也就小些。當(dāng)測(cè)量管壁表面溫度時(shí)，若管壁厚度增加，則測(cè)溫誤差減小，這是由于熱電極向外導(dǎo)走的熱量，很快由管壁的其他部分補(bǔ)充了，因而測(cè)溫誤差就減小。二熱電偶的接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差通常用焊接方法使熱電偶的熱端固定于被測(cè)表面，圖6-7所示的為三種常用的焊接形式，下面從導(dǎo)熱誤差大小方面來(lái)分別討論之。二熱電偶的接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差球形焊。將熱電偶的球形熱端與被測(cè)表面焊在一起。球形熱端的兩熱電極分叉處溫度為指示溫度t2，t2和表面實(shí)際溫度t1有個(gè)差值。為了

13、減小這個(gè)差值，熱電極應(yīng)盡量細(xì)些，焊點(diǎn)也應(yīng)盡量小些，必要時(shí)可將焊點(diǎn)壓平。球形焊熱電偶所測(cè)量的是表面“點(diǎn)”的溫度，但在一個(gè)“點(diǎn)”上有兩根熱電極同時(shí)導(dǎo)熱，所以這種方法有較大的導(dǎo)熱誤差。 二熱電偶的接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差交叉焊（重疊焊）。焊接時(shí)先將導(dǎo)熱性能較好的熱電極（如分度號(hào)為K的熱電偶的鎳硅極）與被測(cè)表面焊在一起，然后在將導(dǎo)熱性能較差的熱電極（如鎳鉻極）交叉地疊在焊點(diǎn)上面，再次進(jìn)行焊接。這時(shí)熱電偶指示的溫度與表面實(shí)際溫度有一個(gè)差值。如將導(dǎo)熱性能較好的熱電極緊靠在被測(cè)表面上，可使比較接近于。交叉焊形式的導(dǎo)熱誤差要比球形焊的小些。二熱電偶的接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差平行焊。將兩熱電極分別焊在被測(cè)表面上，在兩焊點(diǎn)之間保持一段距

14、離（對(duì)于等溫導(dǎo)體表面約為1-5mm）。平行焊適用于等溫導(dǎo)體表面溫度測(cè)量。當(dāng)被測(cè)表面存在溫度梯度或被測(cè)表面材質(zhì)不均勻時(shí)，不宜采用平行焊。二熱電偶的接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差一般來(lái)說(shuō)，交叉焊兩熱電極分叉處與壁面距離比球形焊小，所以接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差小。平行焊兩熱電極分兩點(diǎn)焊在固體表面上，沒(méi)有交叉點(diǎn)離開(kāi)壁面的問(wèn)題，所以沒(méi)有接點(diǎn)導(dǎo)熱誤差。實(shí)驗(yàn)證明，三種形式的測(cè)溫相對(duì)誤差以球形焊最大，交叉焊次之，平行焊最小。 第3節(jié)高溫氣體溫度測(cè)量問(wèn)題：在測(cè)量鍋爐煙道中煙氣的溫度時(shí)，往往在測(cè)溫管安裝地點(diǎn)附近有溫度較低的受熱面，因此在測(cè)溫管表面有輻射散熱，造成測(cè)量誤差解決措施：第3節(jié)高溫氣體溫度測(cè)量解決措施：妥善選擇測(cè)溫管的安裝位置，原則是

15、：煙氣能掃過(guò)測(cè)溫管在煙道內(nèi)的整個(gè)部分（煙氣負(fù)擔(dān)沿測(cè)溫管的散熱）和安裝地點(diǎn)的煙道內(nèi)壁（提高壁溫）。測(cè)溫管安裝部分外壁加較厚的絕熱層，減小散熱。第3節(jié)高溫氣體溫度測(cè)量解決措施：為了減少沿測(cè)溫管向外散熱，可采用在采用措施1和2后，可認(rèn)為傳導(dǎo)散熱造成的誤差接近零，測(cè)溫管僅以熱輻射的方式散熱，造成熱輻射誤差。熱輻射誤差（用熱力學(xué)溫度表示）由下式?jīng)Q定式中c1為輻射散熱系數(shù)為全體輻射的斯忒潘-玻耳茲曼常數(shù)T為測(cè)溫管表面的總輻射發(fā)射率1為管內(nèi)介質(zhì)和測(cè)溫管之間放熱系數(shù)T2為管壁的熱力學(xué)溫度。應(yīng)該指出，由于熱輻射影響而產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能是很大的。例如測(cè)量750鍋爐過(guò)熱器后面的煙氣溫度，附近冷表面的平均溫度是400

16、，煙氣對(duì)測(cè)溫管的對(duì)流放熱系數(shù)是30/40/50W/(m2K)，測(cè)溫管表面的輻射率是0.8，儀表值為506/524/540，誤差達(dá)-244,-226,-210。由此可見(jiàn)誤差是很大的，被測(cè)介質(zhì)溫度越高，誤差也越大。這種情況會(huì)使測(cè)量工作完全失去意義。在實(shí)際情況下，用式（6-2）來(lái)計(jì)算溫度是很難的，因?yàn)楦鱾€(gè)系數(shù)的數(shù)值不易確定，冷表面的溫度也難以確定。為了正確測(cè)定煙氣溫度，原則上可以采用以下措施： 減小誤差的方式（1）加防輻射隔離罩；（2）減小測(cè)溫管的總輻射發(fā)射率；（3）采用雙熱電偶測(cè)溫，通過(guò)計(jì)算消除誤差；（4）采用抽氣熱電偶。(1)把測(cè)溫管和冷的管壁隔離開(kāi)來(lái)，使測(cè)溫管不直接對(duì)冷管壁進(jìn)行輻射。這是因?yàn)闊?/p>

17、輻射誤差和T1、T2的四次方差成正比， T1、T2 若有少許差別，產(chǎn)生的誤差就很大。圖6-10是用隔離罩把測(cè)溫管和冷管壁面隔離開(kāi)來(lái)的例子。 由于煙氣直接流過(guò)隔離罩的內(nèi)外壁，加熱了隔離罩，隔離罩的溫度比管壁面的溫度要高得多，這時(shí)對(duì)冷壁面的輻射由隔離罩來(lái)承擔(dān)。同時(shí)，隔離罩和測(cè)溫管之間的溫度差大大減小，測(cè)溫管的輻射散熱量大大減小，這就使得測(cè)溫管表面溫度較接近于煙氣溫度，從而減小了測(cè)量誤差。應(yīng)該指出，裝設(shè)隔離罩并不容易，因?yàn)樵谘b設(shè)隔離罩后要保證氣流能順利地流過(guò)測(cè)溫管。另外，隔離罩在使用中其表面會(huì)被煙氣污染而增大粗糙度，結(jié)果使表面的發(fā)射率增加，因而使誤差逐漸加大。2）誤差隨 c1=T的增加而增大。所以為

18、了減小熱輻射誤差，必須減小輻射換熱系數(shù)c1。由于是常量，所以減小測(cè)溫管的總輻射發(fā)射率T 可以減小誤差。T的大小由測(cè)溫管材料決定。一般耐熱合金鋼保護(hù)套管的T是比較小的，陶瓷保護(hù)套管的T比較大。因?yàn)楦邷叵露加锰沾杀Ｗo(hù)管，所以誤差較大。在誤差許可的條件下，為了減小誤差，在短時(shí)間測(cè)溫時(shí)，可以不用陶瓷管而直接把鉑銠-鉑熱電極裸露使用。 3）采用雙熱電偶測(cè)溫，可用計(jì)算方法消除熱輻射誤差。圖6-11所示為一裸露雙熱端熱電偶，由粗細(xì)不同的兩對(duì)熱電偶組成。測(cè)量后可利用兩對(duì)熱電偶示值通過(guò)計(jì)算修正指示溫度，從而獲得較為準(zhǔn)確的氣流溫度。例如用雙熱電偶測(cè)量氣流溫度，已知d1=0.5mm，d2=0.2mm，分別測(cè)得T=1

19、973K，T=2053K，代入式（6-5）,可求得氣流溫度Tg=2282K。在使用雙熱電偶測(cè)溫時(shí)要注意，只有當(dāng)T1T,T1T”時(shí)式（6-5）才能應(yīng)用。當(dāng)T1和T、T相差不大時(shí)，熱輻射誤差可能不大，采用加隔離罩就可以得到較滿意的結(jié)果，不必采用雙熱電偶。4）采用抽氣熱電偶為了減小熱輻射誤差的影響，必須增加氣流和測(cè)溫管之間的對(duì)流放熱系數(shù)1。增加1的方法。氣流溫度測(cè)量的一個(gè)困難問(wèn)題，就是在一般流速下氣流和測(cè)溫管之間的放熱系數(shù)1比液體的小得多，這就使得氣流和測(cè)溫管之間換熱困難，誤差增加。為了解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)踐中提出了各種各樣的辦法。除了前面講過(guò)的把感受件的主要工作部分（如熱電偶，電阻溫度計(jì)中熱電阻體的一

20、半長(zhǎng)度處）放在管道中心軸線上外，目前多采用小誤差的抽氣熱電偶。抽氣熱電偶的示意圖如圖所示。當(dāng)高壓蒸汽或壓縮空氣從整齊噴嘴3噴出時(shí)，由于速度很大，在噴嘴處局部產(chǎn)生了負(fù)壓，在次負(fù)壓的作用下，氣流沿圖上所示的方向告訴地被抽走，這樣就在熱電偶處形成了高速氣流，使放熱系數(shù)1增大。抽氣的速度越大，1越大，誤差就越小。為了減小熱輻射損失，在熱電偶外裝設(shè)了隔離罩。隔離罩?jǐn)?shù)目越多，測(cè)量誤差越小。應(yīng)該指出，使抽氣速度達(dá)到很大數(shù)值是要消耗很多能量的，因此抽氣熱電偶只能在試驗(yàn)情況下采用。為了避免熱輻射引起誤差，還可以采用氣動(dòng)溫度計(jì)。氣動(dòng)溫度計(jì)又稱文丘利高溫計(jì)，它可用以測(cè)量工業(yè)鍋爐煙氣的溫度。在射汽抽氣器8的作用下，爐內(nèi)氣體流過(guò)兩個(gè)串聯(lián)節(jié)流件（節(jié)流孔板或文丘利噴管）2和5的孔，氣體在通過(guò)節(jié)流件5以前預(yù)先通過(guò)冷卻器冷卻到一定溫度（一般冷卻至環(huán)境溫度），氣體最后經(jīng)抽氣器排入大氣。抽氣器使節(jié)流件5前后的差壓p1保持不變。因?yàn)闅怏w在節(jié)流件5前后的溫度基本上都等于環(huán)境溫度，保持差壓不變，因而通過(guò)節(jié)流件5和節(jié)流件2的氣體質(zhì)量流量不變，于是爐內(nèi)氣體的原有溫