温度测量技术

null热工测量仪表热工测量仪表——接触测温及误差讨论引言引言 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元件本身的温度，与被测介质的真实温度有差别。 本章的任务：研究这种差别的大小及其减小的方法。引言（续）引言（续）如用热电偶测量锅炉过热器后的烟气温度Tg(如右图所示)，热电偶热端温度为T，由于Tg＞T，所以烟气就以对流、辐射及传导方式将热量Q1传给热电偶；热电偶冷端处于温度为T3的环境中，T3远低于T，因此就有热量Ｑ2沿着热电偶套管传给周围环境;过热器管壁温度为T1，省煤器管壁温度为T2。T1和T2都低于T，故热电偶以辐射方式将热量Ｑ3传给过热器及省煤器。热电偶接受的热量为Ｑ1；，散失的热量为Ｑ2＋Ｑ3，达到热平衡时Q1= Ｑ2＋Q3，即补充的热量等于散失的热量。然而只有ΔT＝Tg－T＞０时，才会有Q1，也就是说T永远不可能等于Tg。 ΔT就是测温误差。要减小ΔT使感受件的温度接近被测介质的温度，就必须增大烟气对热电偶的传热和减小热电偶对外的传导散热和辐射散热。一、管道流体温度测量一、管道流体温度测量管道中流体温度的测量，是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度的测量。图6-2为测量装置的示意。在管道中流过温度为 的流体，管周围介质的温度为 ，如果 ，就有热量沿感受件向外导出，这就是导热损失，由于存在着导热损失，感受件的温度 比流体温度 要低些，即产生了导热误差一、管道流体温度测量（续1）一、管道流体温度测量（续1）（由于保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的，都是 。）如管道中流过的介质是气（汽）体，测温管附近无低温的冷壁，管道外又敷有绝热层，即管道内壁温度较高，且介质的温度 不太高时，测温管对管子内壁的辐射散热影响可以忽略。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。在以上情况下，根据传热学的原理，一、管道流体温度测量（续2）一、管道流体温度测量（续2）可以得到导热误差的关系式为： 其中 式中 ——分别为管内外介质对测温管之间的放热系数； ——分别为管内外两段测温管的热导率， ； ——分别为 和 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， ； ——分别为管内外测温管的长度。注：ch这是双曲余弦ch=(e^-x+e^x)/2 双曲正弦是sh=(e^-x-e^x)/2 th=sh/ch(双曲正切), cth=1/th (双曲余切) 一、管道流体温度测量（续3）一、管道流体温度测量（续3）从式（6-1）可见： 1）  在测温管向外散热的情况下，误差不可能等于零。 2）  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，放热系数 减小，因此可以减小测温误差。 3）  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；当 减小，双曲余切 增加，测温误差也减小。 4）  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。 一、管道流体温度测量（续4）一、管道流体温度测量（续4）5）增加 使 增加，可以使误差减小。因为 （式中 为测温管的内径， 为测温管的外径， 为测温管壁厚，如图6-3所示）。所以要想增加 ，就应该使测温管的壁厚 ，外径 尽量减小，也就是应将测温管做成外形细长而壁厚很薄的形状。 一、管道流体温度测量（续5）一、管道流体温度测量（续5）6）  测温管材料的热导率 小，则 增加，误差减小。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，使动态测量误差增加）。 至于减少b2的问题，关键在于使 变小，方法是在测量管的露出部分加绝热层。 一、管道流体温度测量（续6）一、管道流体温度测量（续6）图6-4表示了感应件的几种不同的安装方案。管道中流过压力为3M Pa ，温度为386摄氏度的过热蒸汽，管道内径为100mm，流速为30m/s，方案1采用铂电阻温度计，沿管道中心线插的很深，安装部位的管道有很厚的绝热层，测温管露出部分很少，这种方案的测量误差接近于零；方案2采用水银温度计，测温管外有绝热层，其测量误差为-1摄氏度；方案3与方案2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-2摄氏度；一、管道流体温度测量（续7）一、管道流体温度测量（续7）方案4与方案2不同的地方是测温管没有插到管道中心（L1较小），因此误差达到-15摄氏度，即-4%左右； 方案5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L2较长，L1又不象方案1中那样长，因此测量误差达到-45摄氏度，即-12%。 图6-4中的例子说明了，在测量管道中的流体温度时，如果遵循前面提出的原则来安装温度计，测量误差是可能减至极小的。一、管道流体温度测量（续8）一、管道流体温度测量（续8）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：由于高温高压气流的冲刷，伸至管道中心处的热电偶容易产生振动断裂事故。为了防止断裂，应减小热电偶插入管道中的深度L1。根据式(6－1)，L减小使得测温误差增大，为此采用高压焊接固定锥形热电偶。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（如左图所示），蒸汽通过热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，对热电偶进行加热，因此，虽然热电偶插入主蒸汽管道中的深度减小了，但受到蒸汽加热的保护套管长度L1反而增加了，这样就解决了热电偶容易断裂和测温偏低之间的矛盾。二、壁面温度测量二、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，例如，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。 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，能测量“点”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。 二、壁面温度测量（续1）二、壁面温度测量（续1）一．热电偶导热误差 进行表面温度测量的热电偶与被测表面的接触形式，基本上有以下四种。如图6-6所示，（a）为点接触，即热电偶的热端直接与被测表面相接触；（b）为面接触，即先将热电偶的热端与导热性能良好的金属片（如铜片）焊在一起，然后使金属片与被测表面紧密接触；（c）为等 二、壁面温度测量（续2）二、壁面温度测量（续2）温线接触，热电偶的热端与被测表面直接接触，热电极从热端引出时沿表面等温敷设一段距离（约50倍热电极直径）后引出，热电极与表面之间用绝热材料隔开（被测表面若是非导体除外）；（d）为分立接触，两热电极分别与被测表面接触，通过被测表面（仅对导体而言）构成回路。对上述四种形式来说，通过两热电极向外散失的热量可以认为是一样的，只不过（a）是将散热量集中在一“点”上；（d）是将散热量集中在两“点”上；（b）的散热量则由金属片所接触的那块表面共同分摊， 二、壁面温度测量（续3）二、壁面温度测量（续3）因此，在相同的外界条件下，（a）的导热误差最大，（d）次之，（b）较小，（c）的两热电极的散热量虽然也集中在一个较小的区域，但由于热电极已与被测表面等温敷设一段距离后才引出，散热量主要是由等温敷设段供给的，热端的温度梯度比另外三种形式的要小得多，所以（c）的热端散热量最小，测量准确度最高。 测量误差不仅与热电偶热端的接触形式有关，而且还与被测表面的导热能力有关，如被测固体壁面材料为玻璃，陶瓷等，它们的导热性能很差，这时如采用（a）的接触形式，则误差很大，而采用（b）接触形式，误差就大大减小，这是因为金属片导热性能好。当金属片有 二、壁面温度测量（续4）二、壁面温度测量（续4）比较大的面积时，导走相同的热量所需要的温差会大大减小，热电偶热端温度就不致降低太多。 如果热电偶的直径粗，则散失的热量多，热端温度改变就大；直径细，向外散失的热量少，热端温度改变就小。如果壁面上方气流的速度增大，则热电极散失的热量就多，热端的温度改变就大；反之，壁面上方气流速度小，则热电极散失的热量就少，热端的温度改变也就小些。当测量管壁表面温度时，若管壁厚度增加，则测温误差减小，这是由于热电极向外导走的热量，很快由管壁的其他部分补充了，因而测温误差就减小。 二、壁面温度测量（续5）二、壁面温度测量（续5）二．热电偶的接点导热误差 通常用焊接方法使热电偶的热端固定于被测表面，图6-7所示的为三种常用的焊接形式，下面从导热误差大小方面来分别讨论之。 球形焊如图(a)所示。将热电偶的球形热端与被测表面焊在一起。球形热端的两热电极分叉 二、壁面温度测量（续6）二、壁面温度测量（续6）处温度为指示温度 ， 和表面实际温度 有个差值。为了减小这个差值，热电极应尽量细些，焊点也应尽量小些，必要时可将焊点压平。球形焊热电偶所测量的是表面“点”的温度，但在一个“点”上有两根热电极同时导热，所以这种方法有较大的导热误差。 交叉焊（重叠焊）如图6-7（b）所示。焊接时先将导热性能较好的热电极（如分度号为K的热电偶的镍硅极）与被测表面焊在一起，然后在将导热性能较差的热电极（如镍铬极）交叉地叠在焊点上面，再次进行焊接。这时热电偶指示的温度与表面实际温度有一个差值。如将导热性能较好的热电极紧靠在被测表面上，可使比较接近于。交叉焊形式的导热误差要比球形焊的小些。二、壁面温度测量（续7）二、壁面温度测量（续7） 平行焊如图6-7（c）所示。将两热电极分别焊在被测表面上，在两焊点之间保持一段距离（对于等温导体表面约为1-5mm）。平行焊适用于等温导体表面温度测量。当被测表面存在温度梯度或被测表面材质不均匀时，不宜采用平行焊。 一般来说，交叉焊两热电极分叉处与壁面距离比球形焊小，所以接点导热误差小。平行焊两热电极分两点焊在固体表面上，没有交叉点离开壁面的问题，所以没有接点导热误差。 实验证明，三种形式的测温相对误差以球形焊最大，交叉焊次之，平行焊最小。 三、高温气体温度测量三、高温气体温度测量问题： 在测量锅炉烟道中烟气的温度时，往往在测温管安装地点附近有温度较低的受热面，因此在测温管表面有辐射散热，造成测量误差。解决措施： 1妥善选择测温管的安装位置，原则是：烟气能扫过测温管在烟道内的整个部分（烟气负担沿测温管的散热）和安装地点的烟道内壁（提高壁温）。 2测温管安装部分外壁加较厚的绝热层，减小散热。 三、高温气体温度测量（续1）三、高温气体温度测量（续1）在采用措施1和2后，可认为传导散热造成的误差接近零，测温管仅以热辐射的方式散热，造成热辐射误差。热辐射误差（用热力学温度表示）由下式决定 式中 为辐射散热系数，其中 为全体辐射的斯忒潘---玻耳兹曼常数, 为测温管表面的总辐射发射率； 为管内介质和测温管之间放热系数； 为管壁的热力学温度。 三、高温气体温度测量（续2）三、高温气体温度测量（续2）应该指出，由于热辐射影响而产生的测量误差可能是很大的。例如测量750℃锅炉过热器后面的烟气温度，附近冷表面的平均温度是400℃，烟气对测温管的对流放热系数是30/40/50W/(m2K)，测温管表面的辐射率是0.8，仪表值为506/524/540℃，误差达-244,-226,-210℃。 由此可见误差是很大的，被测介质温度越高，误差也越大。这种情况会使测量工作完全失去意义。在实际情况下，用式（6-2）来计算温度是很难的，因为各个系数的数值不易确定，冷表面的温度也难以确定。为了正确测定烟气温度，原则上可以采用以下措施： 三、高温气体温度测量（续3）三、高温气体温度测量（续3）(1)把测温管和冷的管壁隔离开来，使测温管不直接对冷管壁进行辐射。这是因为热辐射误差和 的四次方差成正比， 若有少许差别，产生的误差就很大。图6-10是用隔离罩把测温管和冷管壁面隔离开来的例子。 三、高温气体温度测量（续4）三、高温气体温度测量（续4）由于烟气直接流过隔离罩的内外壁，加热了隔离罩，隔离罩的温度比管壁面的温度要高得多，这时对冷壁面的辐射由隔离罩来承担。同时，隔离罩和测温管之间的温度差大大减小，测温管的辐射散热量大大减小，这就使得测温管表面温度较接近于烟气温度，从而减小了测量误差。 应该指出，装设隔离罩并不容易，因为在装设隔离罩后要保证气流能顺利地流过测温管。另外，隔离罩在使用中其表面会被烟气污染而增大粗糙度，结果使表面的发射率增加，因而使误差逐渐加大。 三、高温气体温度测量（续5）三、高温气体温度测量（续5）2）  由式（6-2）还可以看到，误差随 的增加而增大。所以为了减小热辐射误差，必须减小辐射换热系数 由于 是常量，所以减小测温管的总辐射发射率 可以减小误差。 的大小由测温管材料决定。一般耐热合金钢保护套管的 是比较小的，陶瓷保护套管的 比较大。因为高温下都用陶瓷保护管，所以误差较大。在误差许可的条件下，为了减小误差，在短时间测温时，可以不用陶瓷管而直接把铂铑-铂热电极裸露使用，铂铑，铂材料在1500-1700℃时的 ，比陶瓷管的 小的（陶瓷管在1500℃时 ），热辐射误差也就小的多。 三、高温气体温度测量（续6）三、高温气体温度测量（续6）3）  采用双热电偶测温，可用计算方法消除热辐射误差。图6-11所示为一裸露双热端热电偶，由粗细不同的两对热电偶组成。测量后可利用两对热电偶示值通过计算修正指示温度，从而获得较为准确的气流温度。现将其测量原理介绍如下： 三、高温气体温度测量（续7）三、高温气体温度测量（续7）设两对热电偶的热电极直径分别为 ，相应的示值和放热系数分别为 和 ，气流温度为 ，两热电偶材料相同，它们和冷壁之间的换热系数 相同。将两对热电偶垂直于气流安装，并且取较长的插入长度（ 20），使导热误差降低到可以忽略的程度。由公式（6-2）可得： 及 三、高温气体温度测量（续8）三、高温气体温度测量（续8）因为气流与热电极垂直，由传热原理可知，放热系数 ,所以 ,又 ，所以上面两式可简化为： 及 经整理后可得气流温度为 三、高温气体温度测量（续9）三、高温气体温度测量（续9）式（6-5） 中的已知， 和 由仪表读出。气流真实温度 即可算出。一般选用的 要满足 关系。 例如用双热电偶测量气流温度，已知d1=0.5mm，d2=0.2mm，分别测得T’=1973K，T’’=2053K，代入式（6-5）,可求得气流温度Tg=2282K。 在使用双热电偶测温时要注意，只有当T1<