金屬壁面溫度熱電偶安裝方法與測點位置確定

文摘：介紹了應用熱電偶測量金屬壁面溫度的方法。文中提出了在金屬表面焊一塊導熱性好的銅溜子，然后把熱電偶平躺在金屬表面，熱端焊在銅溜子內，貼壁面.敷設300mm后，再引出保溫層的最理想、最合理的安裝方法。并對新、舊方法進行了比較。
1問題的提出
　　使用熱電偶測量金屬壁面溫度，熱電偶將改變被測點原有的換熱狀態，使測點的溫場發生畸變，給測量結果帶來誤差。誤差將隨熱電偶絲的直徑、導熱系數的增大而增加。某發電機組金屬壁面溫度共165點，原安裝方法是:在金屬表面垂直焊接一根中16的不銹鋼管，做為溫度計套管，把鎧裝熱電偶插入不銹鋼管內，頂端用鎖母鎖住。該安裝方法的優點是熱電偶有保護套管，使用壽命較長，熱電偶更換方便;缺點是套管直徑大且垂直安裝嚴重影響金屬表面溫場。測量誤差較大。
　　為確保金屬壁面不超溫，測點應盡量選在溫度較高的管壁上。
2熱電偶的安裝方法的選擇
　　理論上講:熱電偶愈細引入的測量誤差越小。熱電偶絲不應直接從測點引出，應該緊貼在被測物體表面上敷設-段距離后再引出。這樣可把導熱引起測點溫場畸變降到很小程度。這段距離至少為熱電偶絲直徑的20~100倍。為了不改變物體表面與周圍介質的換熱狀態，壁面上安裝熱電偶后不應改變原有壁面的狀態。例如不應造成表面的凸凹而導致對流換熱的改變。把熱電偶焊在一塊銅板上，銅板再焊到被測物表面上，由于銅具有良好的導熱性能，可使測點附近溫場的畸變較小，因此測量誤差較小。
　　由此可知:在金屬表面焊一塊銅溜子,然后把熱偶平躺在金屬表面。熱端焊在銅溜子內，貼壁面敷設300mm后，再引出保溫層，這是最理想、最合理的安裝方法。問題是,原安裝方法誤差究竟有多大?熱電偶焊在銅溜子內會不會因超溫而改變熱電偶熱電特性?沒有套管熱電偶使用壽命如何?
　　我們認為:如若測溫不準，熱偶使用壽命再長也毫無意義，所以關鍵是，弄清新方法與舊方法,在測溫誤差上差別究竟有多大，熱電偶焊在銅溜子上會不會影響熱電偶熱電特性?為搞清這些問題，我們在試驗室做了小型試驗。
　　試驗裝置如圖1所示。
 
0號到4號為5支同型號的鎳鉻一鎳硅熱電偶。試驗前經試驗室校驗全部合格。
0號和4號熱電偶平躺焊在φ40合金鋼管內壁，測量內壁溫度。
1號熱電偶,采用新焊接方法,即熱偶焊在銅溜子內，并緊貼壁面敷設在管壁上。
2號熱電偶也用銅溜子焊在管道表面，但未緊貼璧面敷設，而是直接引出保溫層。
3號熱電偶直接插在套管內，用鎖母鎖昆。采用原安裝方法。
試驗條件:
室溫為25℃
　　用帶冷端溫度補償的巡測儀，采樣時間5s,進行5支熱電偶的熱電勢測量.并直接顯示熱端溫度。巡測儀測量誤差為±2℃,冷端補償誤差為±1℃.
試驗步驟:
a.合金鋼管和3號熱電偶套管全部用礦碴棉嚴密保溫,用電加熱絲升溫到510C后.恒溫，測5支熱電偶熱端溫度值。
b.拆去3號熱電偶套管保溫層后.待溫度恒定后，測量5支熱電偶溫度值。
c，合金鋼管和套管保溫層全部拆去，待恒溫后，測5支熱電偶溫度值。
d.快速升溫和降溫，測取5支熱電偶溫度。試驗數據分別列于表1,表2,表3,表4，表5
　　從表中數據可知:
 
　　試驗條件:室溫為25℃;恒溫條件下誤差計算方法:在同樣條件下與零號熱偶相比較
 
　　試驗條件:快速升溫到104℃;未加保溫層;室溫25℃;共記錄16組數.選其中3組數據;讀數時間間隔為5秒。誤差計算方法:在同樣條件下與0號熱偶相比較。
 
　　試驗條件:慢速降溫;未加保溫;室溫25℃;共記錄13組數，選其中4組數;誤差計算方法與0號熱電偶相比。
 
　　試驗條件:室溫25℃;保溫層完好;讀數時間間隔5s;15s升溫38℃;誤差計算方法:在同樣條件下與零號熱偶相比較
 
　　試驗條件:室溫25℃;保溫層完好;降溫速度5分鐘降51℃;1分鐘讀一組數;誤差計算方法:在同樣條件下與0號熱偶相比較。
　　從表中數據可知:無論保溫好壞、恒溫還是升降溫。1號熱電偶都較好地隨內壁溫度變化而變化,最大誤差僅4℃.不但靜態測的準，而且動態反應速度也很快。2號熱電偶在保溫很好時，誤差最大為負21℃,保溫全拆時，誤差為45℃.3號熱電偶，正常保溫時誤差為負30℃，保溫全拆時誤差為58℃。
　　試驗完，把5支熱偶拆下又送回試驗室校驗，其中4號熱偶(測量內壁溫度)從管道上焊'下時,因熱偶絲斷未再檢驗。其它4支.熱電偶除3號超差1℃外，其它均合格。
　　由小型試驗結果可知:采用新的熱電偶安裝方法很有必要。新方法的施工要求是:
a.在被測物表面焊上銅溜子。
b.在銅溜子熔化時，焊入熱偶。
c.焊熱偶時應避免焊槍火焰直接加熱，熱接點焊接時用毫伏計測量熱偶輸出，確保其不超溫。
d.熱偶焊好后應緊貼壁而敷設300mm后，再引出保溫層。
3測點位置的選擇
　　測點位置的選擇原則是盡量選在金屬壁面溫度最高處。屏過為順流布置，測點選在相應排出口的第5根管子上。高再選在相應排出口第二根管子上。高過選在相應排出口第二根管子處，調節加熱面在相應排出口最上一根管子處。
　　汽機壁面溫度除采用新方法安裝外，測點位置沒有變動。
4存在問題
a.熱電偶直接焊在管壁表面上，測量誤差可以減小，但在機組運行時，熱電偶損壞無法更換。再者因熱電偶只能在保溫層外加裝套管，鎧裝熱電偶易被保溫材料腐蝕，或被鐵絲網割斷。選用新的安裝方法后，熱電偶使用壽命可能縮短。這是有待解決的問題。
b.汽機金屬外壁溫度測量的熱電偶采.用新方法安裝，但內壁溫仍用原來的安裝方法，內外壁溫差，可能與大修前記錄有較大差別，應提請汽機運行人員注意。
c.由于現場施工條件限制，個別熱偶的焊接并未按施工要求安裝。如未能緊貼管壁300mm敷設熱偶、熱電偶熱端未能焊在銅溜子內，而是浮在銅溜子上面等，在下次大修時應盡量避免。