热工测量及仪表-6接触测温方法的讨论和热电偶的抗干扰问题

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1、1 第六章接触测温方法的讨论和热电 偶的抗干扰问题 1.1. 管内流体温度测量管内流体温度测量 2.2. 壁面温度测量壁面温度测量 3.3. 高温气体温度测量高温气体温度测量 4.4. 热电偶测温的抗干扰问题热电偶测温的抗干扰问题 热工测量及仪表热工测量及仪表 p 接触式测温接触式测温：测温时仪表的感温元件必须与被测介质直测温时仪表的感温元件必须与被测介质直 接接触接接触，此时仪表指示的温度是测温元件本身的温度此时仪表指示的温度是测温元件本身的温度， 与被测介质的真实温度有差别与被测介质的真实温度有差别。 p 本章的任务本章的任务：研究这种差别的大小及其减小的方法研究这种差别的大小及其减小的方

2、法。 n热电偶冷端处于温度为热电偶冷端处于温度为t3的环的环 境中境中，t3远低于远低于t，因此就有因此就有 热量热量2沿着热电偶套管传给沿着热电偶套管传给 周围环境周围环境; n过热器管壁温度为过热器管壁温度为t1，省煤器省煤器 管壁温度为管壁温度为t2。t1和和t2都低于都低于t ，故故热电偶以辐射方式将热热电偶以辐射方式将热 量量3传给过热器及省煤器传给过热器及省煤器。 n如用热电偶测量锅炉过热器后的烟气温度如用热电偶测量锅炉过热器后的烟气温度tb(如图所示如图所示)，热电热电 偶热端温度为偶热端温度为t，由于由于tbt，所以烟气就以对流所以烟气就以对流、辐射及传导辐射及传导 方式将热量

3、方式将热量Q1传给热电偶传给热电偶； n热电偶接受的热量为热电偶接受的热量为1；，；，散散 失的热量为失的热量为23，达到热达到热 平衡时平衡时Q1= 2Q3，即补充的即补充的 热量等于散失的热量热量等于散失的热量。然而只然而只 有有t tb t0时时，才会有才会有Q1， 也就是说也就是说t永远不可能等于永远不可能等于tb 。 t就是测温误差就是测温误差。 n要减小要减小T使感受件的温度接近使感受件的温度接近 被测介质的温度被测介质的温度，就必须就必须增大增大 烟气对热电偶的传热和减小热烟气对热电偶的传热和减小热 电偶对外的传导散热和辐射散电偶对外的传导散热和辐射散 热热。 n管道中流体温度的

4、测量管道中流体温度的测量，是是 热工测量中经常遇到的问题热工测量中经常遇到的问题， 例如管道中的蒸汽温度或水温例如管道中的蒸汽温度或水温 度的测量度的测量。 n在管道中流过温度为在管道中流过温度为tb的流体的流体 ，管周围介质的温度为管周围介质的温度为t3，如如 果果t3tb，就有热量沿感受件向就有热量沿感受件向 外导出外导出，这就是这就是导热损失导热损失，由由 于存在着导热损失于存在着导热损失，感受件的感受件的 温度温度t1比流体温度比流体温度tb要低些要低些，即即 产生了产生了导热误差导热误差。 1、管内流体温度测量 1b tt- n由于保护套管或测温管的直径不大由于保护套管或测温管的直径

5、不大，可可假定感受件和假定感受件和 其外面的保护套管或测温管的温度一致其外面的保护套管或测温管的温度一致，都是都是。 n如管道中流过的介质是气如管道中流过的介质是气（汽汽）体体，测温管附近无低测温管附近无低 温的冷壁温的冷壁，管道外又敷有绝热层管道外又敷有绝热层，即管道内壁温度较即管道内壁温度较 高高，且介质的温度且介质的温度不太高时不太高时，测温管对管子内壁的测温管对管子内壁的 辐射散热影响可以忽略辐射散热影响可以忽略。 n如果管道中介质为液体如果管道中介质为液体，则测温管对管内壁不会有辐则测温管对管内壁不会有辐 射散热射散热。 n在以上情况下在以上情况下，根据传热学的原理根据传热学的原理，

6、 1t b t 2 n可以得到导热误差的关系式为可以得到导热误差的关系式为： 其中其中 式中式中：1,2分别为管内分别为管内、外介质对测温管之间的换热系数外介质对测温管之间的换热系数； 1,2分别为管内外两段测温管的热导率分别为管内外两段测温管的热导率，均质均质1= ； U1,U2分别为分别为L1和和L2两段测温管的截面周长两段测温管的截面周长，U1=U2=d1； F1,F2分别为管内外两段测温管的截面积分别为管内外两段测温管的截面积，F1=F2 ； L1,L2分别为管内外测温管的长度分别为管内外测温管的长度。 3 1 1 111122 2 .(1) () 1()() b b tt tt b

7、ch b Lth b Lcth b L b - - -=-= + + n注注：ch这是双曲余弦这是双曲余弦ch=(e-x+ex)/2，双曲正弦双曲正弦 是是sh=(e-x-ex)/2， th=sh/ch(双曲正切双曲正切), cth=1/th (双曲余切双曲余切) 。 1122 12 1122 UU bb FF aa ll = 从上式可见从上式可见： n在测温管向外散热的情况下在测温管向外散热的情况下，误差不可能等于零误差不可能等于零。 n管道中流体与管外介质的温度差管道中流体与管外介质的温度差越大越大，测温误差越大测温误差越大。 为了减小误差为了减小误差，应该把应该把露出在管道外的测温管用保

8、温材料包起露出在管道外的测温管用保温材料包起 来来，这样不仅使得露出部分温度提高这样不仅使得露出部分温度提高，减小导热损失减小导热损失，而且也而且也 使露出部分和外面介质的热交换减少使露出部分和外面介质的热交换减少，换热系数换热系数 减小减小，因此因此 可以减小测温误差可以减小测温误差。 n当当 增加增加，即即插到管道内介质部分测温管长度增加插到管道内介质部分测温管长度增加，双曲余弦双曲余弦 ，双曲正切双曲正切都增加都增加，导热误差减小导热误差减小； n当当减小减小，双曲余切双曲余切增加增加，测温误差也减小测温误差也减小。 n当放热系数当放热系数增加增加， 增加时增加时，误差减小误差减小。因此

9、因此应该把感受件应该把感受件 放在流体速度最高的地方放在流体速度最高的地方，即管道中心轴线上即管道中心轴线上。 3b tt- - 1 L 11 ()ch b L 2 L 22 ()cth b L 11 ()th b L 1 b 2 a 1 a a n增加增加使使增加增加，可以使误差减小可以使误差减小。因为因为 式中式中为测温管的内径为测温管的内径， 为测温管的外径为测温管的外径，为测为测 温管壁厚温管壁厚，如图所示如图所示）。 所以要想增加所以要想增加，就就 应该使测温管的壁厚应该使测温管的壁厚， 外径外径尽量减小尽量减小，也就是也就是 应应将测温管做成外形细长将测温管做成外形细长 而壁厚很薄

10、的形状而壁厚很薄的形状。 11 /U F d p p 2 )( , 10 111 dd FdU + = 0 d1 d 11 /UF d d 1 d 1 b n测温管材料的热导率测温管材料的热导率小小，则则增加增加，误差减小误差减小。 因此因此测温管常用导热性质不良的材料测温管常用导热性质不良的材料如陶瓷如陶瓷，不锈钢不锈钢 等来制造等来制造（应该注意应该注意，采用这类材料制造测温管使会采用这类材料制造测温管使会 增加导热阻力增加导热阻力，使动态测量误差增加使动态测量误差增加）。）。 n至于减少至于减少b2的问题的问题，关键在于使关键在于使 变小变小，方法是在测方法是在测 量管的露出部分加绝热层

11、量管的露出部分加绝热层。 1 l 1 b 2 a 11 n方案方案1采用铂电阻温度计采用铂电阻温度计， 沿管道中心线插的很深沿管道中心线插的很深，安安 装部位的管道有很厚的绝热装部位的管道有很厚的绝热 层层，测温管露出部分很少测温管露出部分很少， 这种方案的测量误差接近于这种方案的测量误差接近于 零零； n方案方案2采用水银温度计采用水银温度计，测温管外有绝热层测温管外有绝热层，其测量误差为其测量误差为 -1摄氏度摄氏度；方案方案3与方案与方案2的不同之处是的不同之处是测温管的直径和管测温管的直径和管 壁厚度都较大壁厚度都较大，因此误差也增大了因此误差也增大了，达到达到-2摄氏度摄氏度； n图

12、表示了感应件的几种不同的安装方案图表示了感应件的几种不同的安装方案。管道中流过压力为管道中流过压力为 29.4MPa ，温度为温度为386摄氏度的过热蒸汽摄氏度的过热蒸汽，管道内径为管道内径为100mm ，流速为流速为30m/s， n方案方案4与方案与方案2不同的地方是测温管不同的地方是测温管没有插到管道中心没有插到管道中心 （ L1较小较小），），因此误差达到因此误差达到-15摄氏度摄氏度，即即-4%左右左右； n方案方案5也是用电阻温度计测量也是用电阻温度计测量，安装地点的管道没有安装地点的管道没有 绝热层绝热层，而且温度计的露出部分而且温度计的露出部分L2较长较长，L1又不象方又不象方

13、案案1中那样长中那样长，因此测量误差达到因此测量误差达到-45摄氏度摄氏度，即即-12% 。 n该例子说明了该例子说明了，在测量管道中的流体温度时在测量管道中的流体温度时，如果遵如果遵 循前面提出的原则来安装温度计循前面提出的原则来安装温度计，测量误差是可能减测量误差是可能减 至极小的至极小的。 3 n在电厂中测量高温高压主蒸汽温度在电厂中测量高温高压主蒸汽温度 的热电偶会遇到如下问题的热电偶会遇到如下问题：由于高由于高 温高压气流的冲刷温高压气流的冲刷，伸至管道中心伸至管道中心 处的热电偶容易产生处的热电偶容易产生振动断裂事故振动断裂事故 。 n为了防止断裂为了防止断裂，应减小热电偶插入应减

14、小热电偶插入 管道中的深度管道中的深度L1 。根据元件传热误根据元件传热误 差公式差公式，L1减小使得测温误差增大减小使得测温误差增大 ，为此采用为此采用高压焊接固定锥形热电高压焊接固定锥形热电 偶偶。(P52,图图4-12（g）) n热电偶保护套管焊在水平主蒸热电偶保护套管焊在水平主蒸 汽管道上部的一根垂直套管上汽管道上部的一根垂直套管上 （如左图所示如左图所示），），蒸汽通过热蒸汽通过热 电偶保护套管与主蒸汽管道壁电偶保护套管与主蒸汽管道壁 之间的空隙进入垂直套管上部之间的空隙进入垂直套管上部 ，对热电偶进行加热对热电偶进行加热，因此因此， 虽然热电偶插入主蒸汽管道中虽然热电偶插入主蒸汽管

15、道中 的深度减小了的深度减小了，但但受到蒸汽加受到蒸汽加 热的保护套管长度热的保护套管长度L1反而增加反而增加 了了，这样就解决了热电偶容易这样就解决了热电偶容易 断裂和测温偏低之间的矛盾断裂和测温偏低之间的矛盾。 2、壁面温度测量 壁面温度测量壁面温度测量的问题在工业上遇到的比较多的问题在工业上遇到的比较多，例如例如， 火力发电厂中的锅炉过热器管壁温度的监视火力发电厂中的锅炉过热器管壁温度的监视，对大型锅炉对大型锅炉 的安全运行是不可缺少的的安全运行是不可缺少的。 目前较多的是目前较多的是采用热电偶来测量固体表面温度采用热电偶来测量固体表面温度，这是这是 由于由于热电偶有较宽的测量范围热电偶有较宽的测量范围，较小的测量端较小的测量端，能测量能测量“ 点点”的温度的温度，而且测温的准确度也较高而且测温的准确度也较高。 但是但是，用热电偶测量管壁温度和一切接触测量方法一用热电偶测量管壁温度和一切接触测量方法一 样样，由于被测表面沿热电偶有热量导出由于被测表面沿热电偶有热量导出，破坏了被测表面破坏了被测表面 的温度场的温度场，热电偶所测量的温度实际上是破坏温度场以后热电偶所测量的温度实际上是破坏温度场以后 的表面温度的表面温度，因此就产生了因此就产生了测量误差测量误差，下面来分析这些误下面来分析这些误 差差。