接觸測溫方法及誤差討論

接觸測溫方法及誤差討論1第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五引言接觸式測溫：測溫時儀表的感溫元件必須與被測介質(zhì)直接接觸，此時儀表指示的溫度是測溫元件本身的溫度，與被測介質(zhì)的真實溫度有差別。本章的任務(wù)：研究這種差別的大小及其減小的方法。2第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五熱電偶冷端處于溫度為T3的環(huán)境中，T3遠低于T，因此就有熱量Ｑ2沿著熱電偶套管傳給周圍環(huán)境;過熱器管壁溫度為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Ｑ3傳給過熱器及省煤器。如用熱電偶測量鍋爐過熱器后的煙氣溫度Tg(如圖所示)，熱電偶熱端溫度為T，由于Tg＞T，所以煙氣就以對流、輻射及傳導(dǎo)方式將熱量Q1傳給熱電偶；3第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五熱電偶接受的熱量為Ｑ1；，散失的熱量為Ｑ2＋Ｑ3，達到熱平衡時Q1=Ｑ2＋Q3，即補充的熱量等于散失的熱量。然而只有ΔT＝Tg－T＞０時，才會有Q1，也就是說T永遠不可能等于Tg。ΔT就是測溫誤差。要減小ΔT使感受件的溫度接近被測介質(zhì)的溫度，就必須增大煙氣對熱電偶的傳熱和減小熱電偶對外的傳導(dǎo)散熱和輻射散熱。4第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五一、管道流體溫度測量管道中流體溫度的測量，是熱工測量中經(jīng)常遇到的問題，例如管道中的蒸汽溫度或水溫度的測量。在管道中流過溫度為的流體，管周圍介質(zhì)的溫度為，如果，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，感受件的溫度比流體溫度要低些，即產(chǎn)生了導(dǎo)熱誤差5第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五由于保護套管或測溫管的直徑不大，可假定感受件和其外面的保護套管或測溫管的溫度一致，都是。如管道中流過的介質(zhì)是氣（汽）體，測溫管附近無低溫的冷壁，管道外又敷有絕熱層，即管道內(nèi)壁溫度較高，且介質(zhì)的溫度不太高時，測溫管對管子內(nèi)壁的輻射散熱影響可以忽略。如果管道中介質(zhì)為液體，則測溫管對管內(nèi)壁不會有輻射散熱。在以上情況下，根據(jù)傳熱學(xué)的原理，6第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五可以得到導(dǎo)熱誤差的關(guān)系式為：其中式中——分別為管內(nèi)、外介質(zhì)對測溫管之間的換熱系數(shù)；

——分別為管內(nèi)外兩段測溫管的熱導(dǎo)率，均質(zhì)；

——分別為和兩段測溫管的截面周長，；

——分別為管內(nèi)外兩段測溫管的截面積

——分別為管內(nèi)外測溫管的長度。注：ch這是雙曲余弦ch=(e^-x+e^x)/2雙曲正弦是sh=(e^-x-e^x)/2th=sh/ch(雙曲正切),cth=1/th(雙曲余切)7第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五從上式可見：1）

在測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)的溫度差越大，測溫誤差越大。為了減小誤差，應(yīng)該把露出在管道外的測溫管用保溫材料包起來，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，換熱系數(shù)減小，因此可以減小測溫誤差。3）

當(dāng)增加，即插到管道內(nèi)介質(zhì)部分測溫管長度增加，雙曲余弦，雙曲正切都增加，導(dǎo)熱誤差減??；4）

當(dāng)減小，雙曲余切增加，測溫誤差也減小。5）

當(dāng)放熱系數(shù)增加，增加時，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。8第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五5）增加使增加，可以使誤差減小。因為式中為測溫管的內(nèi)徑，為測溫管的外徑，為測溫管壁厚，如圖所示）。所以要想增加，就應(yīng)該使測溫管的壁厚，外徑盡量減小，也就是應(yīng)將測溫管做成外形細長而壁厚很薄的形狀。9第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五6）

測溫管材料的熱導(dǎo)率小，則增加，誤差減小。因此測溫管常用導(dǎo)熱性質(zhì)不良的材料如陶瓷，不銹鋼等來制造（應(yīng)該注意，采用這類材料制造測溫管使會增加導(dǎo)熱阻力，使動態(tài)測量誤差增加）。至于減少b2的問題，關(guān)鍵在于使變小，方法是在測量管的露出部分加絕熱層。10第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五

方案1采用鉑電阻溫度計，沿管道中心線插的很深，安裝部位的管道有很厚的絕熱層，測溫管露出部分很少，這種方案的測量誤差接近于零；方案2采用水銀溫度計，測溫管外有絕熱層，其測量誤差為-1攝氏度；方案3與方案2的不同之處是測溫管的直徑和管壁厚度都較大，因此誤差也增大了，達到-2攝氏度；圖表示了感應(yīng)件的幾種不同的安裝方案。管道中流過壓力為3MPa，溫度為386攝氏度的過熱蒸汽，管道內(nèi)徑為100mm，流速為30m/s，11第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五方案4與方案2不同的地方是測溫管沒有插到管道中心（L1較?。?，因此誤差達到-15攝氏度，即-4%左右；方案5也是用電子溫度計測量，安裝地點的管道沒有絕熱層，而且溫度計的露出部分L2較長，L1又不象方案1中那樣長，因此測量誤差達到-45攝氏度，即-12%。該例子說明了，在測量管道中的流體溫度時，如果遵循前面提出的原則來安裝溫度計，測量誤差是可能減至極小的。12第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五在電廠中測量高溫高壓主蒸汽溫度的熱電偶會遇到如下問題：由于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。根據(jù)元件傳熱誤差公式，L1減小使得測溫誤差增大，為此采用高壓焊接固定錐形熱電偶。13第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五熱電偶保護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），蒸汽通過熱電偶保護套管與主蒸汽管道壁之間的空隙進入垂直套管上部，對熱電偶進行加熱，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套管長度L1反而增加了，這樣就解決了熱電偶容易斷裂和測溫偏低之間的矛盾。14第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五二、壁面溫度測量壁面溫度測量的問題在工業(yè)上遇到的比較多，例如，火力發(fā)電廠中的鍋爐過熱器管壁溫度的監(jiān)視，對大型鍋爐的安全運行是不可缺少的。目前較多的是采用熱電偶來測量固體表面溫度，這是由于熱電偶有較寬的測量范圍，較小的測量端，能測量“點”的溫度，而且測溫的準確度也較高。但是，用熱電偶測量管壁溫度和一切接觸測量方法一樣，由于被測表面沿?zé)犭娕加袩崃繉?dǎo)出，破壞了被測表面的溫度場，熱電偶所測量的溫度實際上是破壞溫度場以后的表面溫度，因此就產(chǎn)生了測量誤差，下面來分析這些誤差。15第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五進行表面溫度測量的熱電偶與被測表面的接觸形式，基本上有以下四種。如圖所示，（a）為點接觸，即熱電偶的熱端直接與被測表面相接觸；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表面緊密接觸；16第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五（d）為分立接觸，兩熱電極分別與被測表面接觸，通過被測表面（僅對導(dǎo)體而言）構(gòu)成回路。對上述四種形式來說，通過兩熱電極向外散失的熱量可以認為是一樣的，只不過（a）是將散熱量集中在一“點”上；（d）是將散熱量集中在兩“點”上；（b）的散熱量則由金屬片所接觸的那塊表面共同分攤。（c）為等溫線接觸，熱電偶的熱端與被測表面直接接觸，熱電極從熱端引出時沿表面等溫線敷設(shè)一段距離（約50倍熱電極直徑）后引出；17第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五因此，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）的兩熱電極的散熱量雖然也集中在一個較小的區(qū)域，但由于熱電極已與被測表面等溫敷設(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，測量準確度最高。測量誤差不僅與熱電偶熱端的接觸形式有關(guān)，而且還與被測表面的導(dǎo)熱能力有關(guān)，如被測固體壁面材料為玻璃，陶瓷等，它們的導(dǎo)熱性能很差，這時如采用（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，這是因為金屬片導(dǎo)熱性能好。18第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)金屬片有比較大的面積時，導(dǎo)走相同的熱量所需要的溫差會大大減小，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，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)測量管壁表面溫度時，若管壁厚度增加，則測溫誤差減小，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充了，因而測溫誤差就減小。19第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五通常用焊接方法使熱電偶的熱端固定于被測表面，圖所示的為三種常用的焊接形式，下面從導(dǎo)熱誤差大小方面來分別討論之。二、熱電偶的接點導(dǎo)熱誤差球形焊如圖(a)所示。將熱電偶的球形熱端與被測表面焊在一起。球形熱端的兩熱電極分叉處溫度為指示溫度t2

，t2和表面實際溫度t1有個差值。為了減小這個差值，熱電極應(yīng)盡量細些，焊點也應(yīng)盡量小些，必要時可將焊點壓平。球形焊熱電偶所測量的是表面“點”的溫度，但在一個“點”上有兩根熱電極同時導(dǎo)熱，所以這種方法有較大的導(dǎo)熱誤差。20第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五交叉焊（重疊焊）如圖（b）所示。焊接時先將導(dǎo)熱性能較好的熱電極（如分度號為K的熱電偶的鎳硅極）與被測表面焊在一起，然后再將導(dǎo)熱性能較差的熱電極（如鎳鉻極）交叉地疊在焊點上面，再次進行焊接。這時熱電偶指示的溫度與表面實際溫度有一個差值。如將導(dǎo)熱性能較好的熱電極緊靠在被測表面上，可使指示值比較接近于真值。交叉焊形式的導(dǎo)熱誤差要比球形焊的小些。21第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五平行焊如圖（c）所示。將兩熱電極分別焊在被測表面上，在兩焊點之間保持一段距離（對于等溫導(dǎo)體表面約為1-5mm）。平行焊適用于等溫導(dǎo)體表面溫度測量。當(dāng)被測表面存在溫度梯度或被測表面材質(zhì)不均勻時，不宜采用平行焊。一般來說，交叉焊兩熱電極分叉處與壁面距離比球形焊小，所以接點導(dǎo)熱誤差小。平行焊兩熱電極分兩點焊在固體表面上，沒有交叉點離開壁面的問題，所以沒有接點導(dǎo)熱誤差。實驗證明，三種形式的測溫相對誤差以球形焊最大，交叉焊次之，平行焊最小。22第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五三、高溫氣體溫度測量問題：在測量鍋爐煙道中煙氣的溫度時，往往在測溫管安裝地點附近有溫度較低的受熱面，因此在測溫管表面有輻射散熱，造成測量誤差。23第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五解決措施：1、妥善選擇測溫管的安裝位置，原則是：煙氣能掃過測溫管在煙道內(nèi)的整個部分（煙氣負擔(dān)沿測溫管的散熱）和安裝地點的煙道內(nèi)壁（提高壁溫）。2、測溫管安裝部分外壁加較厚的絕熱層，減小散熱。24第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五在采用措施1和2后，可認為傳導(dǎo)散熱造成的誤差接近零，測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定式中為輻射散熱系數(shù)，其中為全體輻射的斯忒潘---玻耳茲曼常數(shù),為測溫管表面的總輻射發(fā)射率；為管內(nèi)介質(zhì)和測溫管之間放熱系數(shù)；為管壁的熱力學(xué)溫度。25第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)該指出，由于熱輻射影響而產(chǎn)生的測量誤差可能是很大的。例如測量750℃鍋爐過熱器后面的煙氣溫度，附近冷表面的平均溫度是400℃，煙氣對測溫管的對流放熱系數(shù)是30/40/50W/(m2K)，測溫管表面的輻射率是0.8，儀表值為506/524/540℃，誤差達-244,-226,-210℃。由此可見誤差是很大的，被測介質(zhì)溫度越高，誤差也越大。這種情況會使測量工作完全失去意義。在實際情況下，用熱輻射誤差公式來計算溫度是很難的，因為各個系數(shù)的數(shù)值不易確定，冷表面的溫度也難以確定。為了正確測定煙氣溫度，原則上可以采用以下措施：26第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五(1)把測溫管和冷的管壁隔離開來，使測溫管不直接對冷管壁進行輻射。這是因為熱輻射誤差和的四次方差成正比，若有少許差別，產(chǎn)生的誤差就很大。圖是用隔離罩把測溫管和冷管壁面隔離開來的例子。27第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五由于煙氣直接流過隔離罩的內(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，這時對冷壁面的輻射由隔離罩來承擔(dān)。同時，隔離罩和測溫管之間的溫度差大大減小，測溫管的輻射散熱量大大減小，這就使得測溫管表面溫度較接近于煙氣溫度，從而減小了測量誤差。應(yīng)該指出，裝設(shè)隔離罩并不容易，因為在裝設(shè)隔離罩后要保證氣流能順利地流過測溫管。另外，隔離罩在使用中其表面會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。28第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2）由式（2）還可以看到，誤差隨的增加而增大。所以為了減小熱輻射誤差，必須減小輻射換熱系數(shù),由于是常量,所以減小測溫管的總輻射發(fā)射率可以減小誤差。的大小由測溫管材料決定。一般耐熱合金鋼保護套管的是比較小的，陶瓷保護套管的比較大。因為高溫下都用陶瓷保護管，所以誤差較大。在誤差許可的條件下，為了減小誤差，在短時間測溫時，可以不用陶瓷管而直接把鉑銠-鉑熱電極裸露使用，鉑銠，鉑材料在1500-1700℃時的，比陶瓷管的小的（陶瓷管在1500℃時），熱輻射誤差也就小得多。29第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3）采用雙熱電偶測溫，可用計算方法消除熱輻射誤差。圖所示為一裸露雙熱端熱電偶，由粗細不同的兩對熱電偶組成。測量后可利用兩對熱電偶示值通過計算修正指示溫度，從而獲得較為準確的氣流溫度。現(xiàn)介紹其測量原理：30第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五設(shè)兩對熱電偶的熱電極直徑分別為，相應(yīng)的示值和放熱系數(shù)分別為和，氣流溫度為，兩熱電偶材料相同,它們和冷壁之間的換熱系數(shù)相同。將兩對熱電偶垂直于氣流安裝，并且取較長的插入長度（20），使導(dǎo)熱誤差降低到可以忽略的程度。由公式（2）可得：及31第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五因為氣流與熱電極垂直，由傳熱原理可知，放熱系數(shù),所以,又，所以上面兩式可簡化為：及經(jīng)整理后可得氣流溫度為式中已知d1和d2，T’和T’’由儀表讀出。氣流真實溫度Tg即可算出。一般選用的d1和d2要滿足4>d1

/d2

>2關(guān)系。32第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五例如用雙熱電偶測量氣流溫度，已知d1=0.5mm，d2=0.2mm，分別測得T’=1973K，T’’=2053K，代入上式,可求得氣流溫度Tg=2282K。在使用雙熱電偶測溫時要注意，只有當(dāng)T1<<T’,T1<<T”時上式才能應(yīng)用。當(dāng)T1和T’、T’’相差不大時，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。33第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五4）由式（2）還可以看到，為了減小熱輻射誤差的影響，必須增加氣流和測溫管之間的對流放熱系數(shù)α1。下面討論增加α1的方法。氣流溫度測量的一個困難問題，就是在一般流速下氣流和測溫管之間的放熱系數(shù)α1比液體的小得多，這就使得氣流和測溫管之間換熱困難，誤差增加。為了解決這個問題，實踐中提出了各種各樣的辦法。34第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五除了前面講過的把感受件的主要工作部分（如熱電偶，電阻溫度計中熱電阻體的一半長度處）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所示。當(dāng)高壓蒸汽或壓縮空氣從整齊噴嘴3噴出時，由于速度很大，在噴嘴處局部產(chǎn)生了負壓，在次負壓的作用下，氣流沿圖上所示的方向高速地被抽走，這樣就在熱電偶處形成了高速氣流，使放熱系數(shù)α1增大。抽氣的速度越大，α1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。隔離罩數(shù)目越多，測量誤差越小。35第35頁，共41