接触测温方法及误差讨论

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1、热工测量仪表热工测量仪表接触测温及误差讨论接触测温及误差讨论1引言引言n n接触式测温：测温时仪表的感温元件必须与被接触式测温：测温时仪表的感温元件必须与被 测介质直接接触，此时仪表指示的温度是测温测介质直接接触，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元件本身的温度，与被测介质的真实温度有差 别。别。n n本章的任务：研究这种差别的大小及其减小的本章的任务：研究这种差别的大小及其减小的 方法。方法。2n n热电偶冷端处于温度为热电偶冷端处于温度为T3T3的的 环境中，环境中，T3T3远低于远低于T T，因此就因此就 有热量有热量2 2沿着热电偶套管传沿着热电偶套管传

2、 给周围环境给周围环境; ;n n过热器管壁温度为过热器管壁温度为T1T1，省煤省煤 器管壁温度为器管壁温度为T2T2。T1T1和和T2T2都都 低于低于T T，故热电偶以辐射方式故热电偶以辐射方式 将热量将热量3 3传给过热器及省煤传给过热器及省煤 器。器。n 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TgTg( (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 T，由于由于TgTgT T，所以烟气就以对流、辐射及传所以烟气就以对流、辐射及传 导方式将热量导方式将热量Q1Q1传给热电偶；传给热电偶；3n n热电偶接受的热量为热电偶接受的热量为1

3、 1；，；， 散失的热量为散失的热量为2 23 3，达到，达到 热平衡时热平衡时Q1= Q1= 2 2Q3Q3，即补即补 充的热量等于散失的热量。然充的热量等于散失的热量。然 而只有而只有TTTgTgT T时，才时，才 会有会有Q1Q1，也就是说也就是说T T永远不可永远不可 能等于能等于TgTg。 T T就是测温误差就是测温误差 。n n要减小要减小TT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，就必须增大被测介质的温度，就必须增大 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。4一、管道流体温度测量一、管道流体

4、温度测量n n管道中流体温度的测量，是管道中流体温度的测量，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 n在管道中流过温度为在管道中流过温度为 的流体的流体 ，管周围介质的温度为，管周围介质的温度为 ，如，如 果果 ，就有热量沿感受件，就有热量沿感受件 向外导出，这就是导热损失，向外导出，这就是导热损失， 由于存在着导热损失，感受件由于存在着导热损失，感受件 的温度的温度 比流体温度比流体温度 要低些要低些 ，即产生了导热误差，即产生了导热误差5n n由于保护套管或测温管的直径不大，可假定感受件和由于保

5、护套管或测温管的直径不大，可假定感受件和 其外面的保护套管或测温管的温度一致，都是其外面的保护套管或测温管的温度一致，都是 。n n如管道中如管道中流过的介质是气（汽）体，测温管附近无低流过的介质是气（汽）体，测温管附近无低 温的冷壁，管道外又敷有绝热层，即管道内壁温度较温的冷壁，管道外又敷有绝热层，即管道内壁温度较 高，且介质的温度高，且介质的温度 不太高时，测温管对管子内壁不太高时，测温管对管子内壁 的辐射散热影响可以忽略。的辐射散热影响可以忽略。n n如果管道中介质为液体，则测温管对管内壁不会有辐如果管道中介质为液体，则测温管对管内壁不会有辐 射散热。射散热。n n在以上情况下，根据传热

6、学的原理，在以上情况下，根据传热学的原理，6n 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 分别为管内、外介质对测温管之间的换热系数；分别为管内、外介质对测温管之间的换热系数； 分别为管内外两段测温管的热导率，均质分别为管内外两段测温管的热导率，均质 ； 分别为分别为 和和 两段测温管的截面周长，两段测温管的截面周长， ； 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 分别为管内外测温管的长度。分别为管内外测温管的长度。注：ch这是双曲余弦ch=(e-x+ex)/2 双曲正弦是sh=(e-x- ex)/2 th=sh/ch(双曲正切), cth=

7、1/th (双曲余切) 7从上式可见：n1） 在测温管向外散热的情况下，误差不可能等于零。n2） 管道中流体与管外介质的温度差 越大，测温误差越 大。为了减小误差，应该把露出在管道外的测温管用保温材料 包起来，这样不仅使得露出部分温度提高，减小导热损失，而 且也使露出部分和外面介质的热交换减少，换热系数 减小， 因此可以减小测温误差。n3） 当 增加，即插到管道内介质部分测温管长度增加，双曲 余弦 ，双曲正切 都增加，导热误差减小；n4） 当 减小，双曲余切 增加，测温误差也减小。n5） 当放热系数 增加， 增加时，误差减小。因此应该把感 受件放在流体速度最高的地方，即管道中心轴线上。8n n

8、5 5）增加）增加 使使 增加，可以使误差减小。因为增加，可以使误差减小。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，如图所示）。温管壁厚，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，也就是尽量减小，也就是 应将测温管做成外形细长应将测温管做成外形细长 而壁厚很薄的形状。而壁厚很薄的形状。9n n6 6） 测温管材料的热导率测温管材料的热导率 小，则小，则 增加，误增加，误 差减小。因此测温管常用导热性质不良的材料差减小。因此测温管常用导热性质不良的材料 如陶瓷，不锈钢

9、等来制造（应该注意，采用这如陶瓷，不锈钢等来制造（应该注意，采用这 类材料制造测温管使会增加导热阻力，使动态类材料制造测温管使会增加导热阻力，使动态 测量误差增加）。测量误差增加）。至于减少至于减少b b2的问题，关键在于使的问题，关键在于使 变小，方法变小，方法 是在测量管的露出部分加绝热层。是在测量管的露出部分加绝热层。10方案方案1 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 ，安装部位的管道有很厚，安装部位的管道有很厚 的绝热层，测温管露出部的绝热层，测温管露出部 分很少，这种方案的测量分很少，这种方案的测量 误差接近于零；误差接近于零；方案方案2

10、 2采用水银温度计，测温管外有绝热层，其测量误差为采用水银温度计，测温管外有绝热层，其测量误差为-1-1 摄氏度；方案摄氏度；方案3 3与方案与方案2 2的不同之处是测温管的直径和管壁厚的不同之处是测温管的直径和管壁厚 度都较大，因此误差也增大了，达到度都较大，因此误差也增大了，达到-2-2摄氏度；摄氏度；图表示了感应件的几种不同的安装方案。管道中流过压力图表示了感应件的几种不同的安装方案。管道中流过压力 为为3M Pa 3M Pa ，温度为温度为386386摄氏度的过热蒸汽，管道内径为摄氏度的过热蒸汽，管道内径为 100100mmmm，流速为流速为3030m/sm/s，11n n方案方案4

11、4与方案与方案2 2不同的地方是测温管没有插到管道中不同的地方是测温管没有插到管道中 心（心（L1L1较小），因此误差达到较小），因此误差达到-15-15摄氏度，即摄氏度，即-4%-4%左左 右；右；n n方案方案5 5也是用电子温度计测量，安装地点的管道没也是用电子温度计测量，安装地点的管道没 有绝热层，而且温度计的露出部分有绝热层，而且温度计的露出部分L2L2较长，较长，L1L1又不又不 象方案象方案1 1中那样长，因此测量误差达到中那样长，因此测量误差达到-45-45摄氏度，摄氏度， 即即-12%-12%。 n n该例子说明了，在测量管道中的流体温度时，如果该例子说明了，在测量管道中的流

12、体温度时，如果 遵循前面提出的原则来安装温度计，测量误差是可遵循前面提出的原则来安装温度计，测量误差是可 能减至极小的。能减至极小的。12n n在电厂中测量高温高压主蒸汽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温度的热电偶会遇到如下问题 ：由于高温高压气流的冲刷，：由于高温高压气流的冲刷， 伸至管道中心处的热电偶容易伸至管道中心处的热电偶容易 产生振动断裂事故。产生振动断裂事故。n n为了防止断裂，应减小热电偶为了防止断裂，应减小热电偶 插入管道中的深度插入管道中的深度L1L1。根据元根据元 件传热误差公式，件传热误差公式，L1L1减小使得减小使得 测温误差增大，为此采用高压测温

13、误差增大，为此采用高压 焊接固定锥形热电偶。焊接固定锥形热电偶。13n 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），蒸汽通过热（如左图所示），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，因此，对热电偶进行加热，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道中 的深度减小了，但受到蒸汽加的深度减小了，但受到蒸汽加 热的保护套管长度热的保护套管长度L1L1反而增反而增 加了，这样就解决了热电偶容加了，这样就解决

14、了热电偶容 易断裂和测温偏低之间的矛盾易断裂和测温偏低之间的矛盾 。 14二、壁面温度测量二、壁面温度测量n n壁面温度测量的问题在工业上遇到的比较多，例如壁面温度测量的问题在工业上遇到的比较多，例如 ，火力发电厂中的锅炉过热器管壁温度的监视，对，火力发电厂中的锅炉过热器管壁温度的监视，对 大型锅炉的安全运行是不可缺少的。大型锅炉的安全运行是不可缺少的。n n目前较多的是采用热电偶来测量固体表面温度，这目前较多的是采用热电偶来测量固体表面温度，这 是由于热电偶有较宽的测量范围，较小的测量端，是由于热电偶有较宽的测量范围，较小的测量端， 能测量能测量“ “点点” ”的温度，而且测温的准确度也较高。但的温度，而且测温的准确度也较高。但 是，用热电偶测量管壁温度和一切接触测量方法一是，用热电偶测量管壁温度和一切接触测量方法一 样，由于被测表面沿热电偶有热量导出，破坏了被样，由于被测表面沿热电偶有热量导出，破坏了被 测表面的温度场，热电偶所测量的温度实际上是破测表面的温度场，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，因此就产生了测量误差坏温度场以后的表面温度，因此就产生了测量误差 ，下面来分析这些误差。，下面来分析这些误差。15n n进行表