D0I:10.13374/j.is8m1001053x.1986.0M.026 北京钢铁学院学报 1986年12月 Journal of Beijing University No.4 第4期 of Iron and Steel Technology Dcc,1986 提高测量工业炉气体温度的准确性 方 之岗 (热能系) 摘 要 本文是在两种高质量的新型抽气式高温计工业试用的基础上，分析了提高工业炉 气体温度测量准确性的各种因素，提出了设计高精度抽气式高温计的途径，并介绍了 泌量计算传热误老，速度误差和抽气式高温计精度的方法。 关键词： 抽气式高温计，抽气热电偶，准蓟性，述度误差，传热误差 Increasing the Accuracy of Gas Temperature Measurement in Industrial Furnace Fang Zhigang Abstract Based on the industrial application of two new type suction pyrometers in good quality,the different factors increasing the accuracy of gas temperature measurement industrial furnace have been analysed.an approach of designing high accuracy suction pyromter is proposed,and the methods adopted for mea- suring and cstimating the heat transfer errors,velocity errors and the accur- acy of the suction pyrometers are introduced. Key words:suction pyrometer,aspirating thermocouple,accuracy,veloci- ty errors,heat transfer errors 前 言 在热能领域中，无论是节能或开发新能源，都必须进行高温气体温度测量。目前国内外 测量工业炉内高温气体温度的常规方法是抽气热电偶，它需要庞杂的辅助设备，操作困难， 精度较低，因此需要改进并提高测量的准确性。我们从1984年6月起将研制的两种新型测温 1986-01-31收 38
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 月 · 第 期 · — 一 一 一 二一 二 二 二 二 二 二二二一 二 二 二二一 二 二二二二二二二二二二 提高测量工业炉气体温度的准确性 方 之 岗 热能 系 摘 要 本文是在两 种高质量的新型抽气式高温计工 业试用的基础 上 ， 分析 了 提高工 业炉 气体温度 测量 准确性 的各种 因素 ， 提出 了设计高精度 抽气式高 从 计的途径 ， 并介绍 了 测 鼠计算传热误差 ， 速度误差 和 抽气式高温计精度 的方 法 关键词 抽气式高温计 ， 抽气热 电偶 ， 准确性 ， 速度误差 ， 传热误差 ， ， ， ， ， ， ， 前 言 在热能领 域 中 ， 无论 是节能或开发新能源 ， 都必须 进行 高温气体温度 测量 。 目前 国内外 测量 工 业 炉 内高温 气体温度 的常 规方法 是抽气热电偶 ， 它 需 要 庞杂 的辅 助设备 ， 操 作 困难 ， 精度 较低 ， 因此需要 改进并提 高测量 的准 确性 。 我们 从 年 月起 将研制 的两种新型测温 一 一 收至 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1986．04．026
仪器投入工.业试用，它们是“双川抽气式高温计”(1)！“短偶高灵徽抽气热电偶”〔2)，现 在根据大量工业实践结果讨论一些问趣。 1 新仪器结构特点和主要指标 1,1双用抽气式高温计1) (1)结构特点图1是双用捕气式尚福 计简图，其特点是遮蔽罩1很薄，壁厚0.3mm, 内径大中9.4mm,长160~200mm,铠装偶3 的工作端由小环2支撑在遮蔽罩中心，因此仪 器的灵敏度很高，4是无水冷走气管，G是仙 -220V 风机，由一220V供电，并作数字温度表5的电 源，7是气样取出口，即测温同时可派作：取 1 双用抽气式高涵计简图 样。全套仪器约5kg。仪器工作段长1.2~ Fig.1 Scheme of dual available 4m。 suction pyrometer (2)主要性能指标测温范围为0~1000℃；数字温度表误差±5℃±1个字、综合 测温精度1.5级，抽气速度100~170m/s(热态)；响应时间8~30s。 1,2高灵敏短偶抽气热电偶〔2) (1)结构特点图2是高灵敏短偶抽气热电偶，其特点是薄壁金属陶瓷遮蔽罩1的内径 为中6.6mm,壁厚1.5mm,长120~150mm,G是用少量水冷的走气管，内径中10~13mm, 4是放置热电偶的钢管(6×1mm), 简易冷端3的外径为3.7~3.8mm,可方 便地穿入管4,5是补偿导线，由于铠装热 电偶2的直径为φ0.15或φ2mm,长度只 有0.1~0.13m,故工作端能始终保持在遮 Water Air 蔽罩中心，7是喷射器，全部气路笔直，而 图2 偶高灵敏抽气热电偶简 且直径大，所以阻力小。也可接手提式抽风 Fig.2 High sensitive aspirating 机并配上数字式温度表，表的量程为600~ thermocouple with short 1760℃。 armoured thermocouple (2)主要性能指标测温范围0~1600℃，配S型铠装热电偶；抽气速度当唢射介质 压力(2.5~3.0)×105Pa时达150~170m/s(冷态)，响应时间为8~15s,测量误差小 于1%。 2提高准确性的措施 2,1提供配套的显示仪表 测得的气体温度准确与否，显示仪表的影响很人。在整个仪表的系统误差里，热电偶的 基本误差是±(0.4~0.8)%，显示仪表的基本误差一般为±(0.5~0.7)%，建立热平衡 过程中形成的误差为±（0.1~0.？)%和气动力因素造成的误差约在-(0.06~0.15)%， 39
仪器投 人 工 业试 用 ， 它 们 是 “ 双用 抽气 式 佰温 计 ” 〔 ‘ ，和 “ 短 偶 高 灵 放 打。气 热 包偶 ” ‘ 〕 ， 现 在根据 大量工 业 实践结 果 讨论 一 峡 问题 。 新 仪器 结构特点和 主要指 标 双用 抽气式 高温计 巾 结 构特 点 图 是 双 用 抽 气 式高温 计 简图 ， 其特 点是 遮蔽罩 很 薄 ， 壁厚 、 ， 内径大小 ， 长 一 ， 全岂装 偶 的工 作端 由小 环 支撑在遮 蔽罩 中心 ， 因此 仪 器 的灵敏度很 高 ， 是 无水冷走气管 ， 是如 戏机 ， 由一 供 电 ， 并作数字温度 表 弓 的 电 源 ， 是气样取 出 口 ， 即测 温 同时 可 兼 作 取 样 。 全套 仪器约 。 仪器 工 作 段 长 一 。 图 汉 用 抽气式高温 计简图 主要性能指标 测 温范 围为 。 一 ℃ 数字 温度 表误 差 土 ℃ 士 个字 、 综 合 测 温精度 级 抽气速度 一 热 态 句应时 间 。 离灵敏短偶抽气 热电偶卿 结 构特点 图 是 高灵敏短偶抽气热 电偶 ， 其特点 是薄壁金属 陶 瓷遮 蔽罩 的内径 为小 ， 壁厚 ， 长一 ， 是放置热电偶 的钢管 冰 ， 简 易冷端 的外径为 ， 可 方 便 地穿人管 ， 是 补 偿导线 ， 由于铝 装热 电偶 的直径为小 或中 ， 长度 只 有。 ， 故工 作端能始 终保 持在遮 蔽罩 中心 ， 是喷射器 ， 全部气路 笔直 ，而 且直径大 ， 所 以阻力小 。 也 可接手提 式抽风 机 井配 上数 字 式 温度表 ， 表 的量程 为 一 。 是 用 少量 水冷 的走气管 ， 内径小 一 ， 孟福 图 短偶高 灵敏抽气热 电偶 而 ， 主要性能指标 测温范 围 。 ℃ ， 配 型恺装热 电偶 抽 走毛速 度 当喷射介 质 压 力 义 时达 一 一 冷 态 。可应 寸间为 一 ， 测 量误 差 小 于 。 提 高准确性 的措施 提 供配套 的显 示仪表 测 得的气体温度 准确 与否 ， 显示 仪表 的影响 很 大 。 在整个 仪表 的系统 误 差里 ， 热 电偶 的 基本误差 是 士 。 ， 显示 仪表 的基本误 差一般 为 士 。 ， 建立热平衡 过程 中形 成的误 差为 士 。 。 ‘ 、 和气 动 力 因素造 成的误 差约在 一 。 。
可见城示仪表的影响很人，成足够重视显示仪表测景的谁确性。 但是，现行的业示仪表都不适合在热能测试：应川，不但体！大，携带不便，而且在测 试现场恶劣环境下不能保证仪表原有的精度（如动圈式温度表等）。若采用高精度的数字 表，不仅要求在良好的环境条件下使用，而且操作又较麻烦。但热能测试现场条件非常恶 劣，冬天车间温度零度，测量时在炉门口几秒内就可引到50~60℃，所以必须要有良好的抗 展，抗强磁场、抗环境温度剧变和使用方便等性能，才能保证测出结果的准确性，因此，我 院研制了能满足以上要求的数字式温度表。 2,2提高传感器的测量准确性 测量气体温度的传感器是抽气热电偶，对它采取以下措施： (1)提高灵敏度用上述两种新型高灵敏的高温计实测证明，气体温度无论空间和时 间上变化都很大，无论炉膛内或烟道内每一点的温度都有明显的差别，因此只有高灵敏的仪 器，才能真正测出气体温度，这正象用毕托管测量流量一样。只有小型轻便化，才有较高的 灵敏度，才能方便地置于任一测量点，测出温度场，对测量周期性波动很大的气体温度来 说，才能使动态和静态误差较小。对抽气高温来说，影响灵敏性主要是遮蔽罩的热惯性：、 轴向导热比、金适的抽气速度抽气量大小，闪此在保证抽气速度为80~140m/s(冷态) 条件下，将遮藏理的热容量或尺寸减到目前的最小值（见图1和图2）。一年多实践证明工 作完全可靠，同时对减小辐射误差也有好处。 (2)提高遮蔽罩壁温若遮蔽罩壁温愈高，愈接近气体温度，则其防辐效果愈好，因为 辐射误差是与温度的四次方差成正比。实践证明沿抽气高温计轴向的导热损失极大地降低遮 蔽罩的壁温，而影响轴向导热量的因素是遮薇罩壁厚度和轴向温度梯度。例如已有的测量 1100℃以下温度用水冷，遮蔽罩壁厚大(3mm以上)，抽气速度虽大，但走气环缝很小， 气量很小，这样的结构都致使遮散罩只能处于很低的壁温下工作。 见遮散罩这厚减小到0.3mm与1.5mm（对金属陶瓷材料)，在注意抽气速度的同时兼 顿有较大的抽'（量，如速度下限虽然只有80m/s,但有较大的抽气量，对的流通截面直径为 中9.3mm,实践证明同样可以得到较好的效果，若只求流速不计流量，当抽力不足时，用收 缩遮敵罩流通截面来提高流速得不到好的效果。 (3)实现门州'（可以保证必要的抽气速度，以确保测量精度。使用方便还可兼作取 样。 3抽气式高温计精度分析 3,1抽气热电偶效率系数E有缺陷 日前表征抽气热电偶精确程度只有效率系数E,从实验结果发现它不完善。由E的定 义，它只决定于结构和抽气速度，也即E=「(n,t。/xm),其中n为遮蔽罩层数，T。是停止 抽气后的降温时间，τm是重新抽气后的升温时间，但实测结果并非如此。图3(a)(b) (c)(d)是同-·个抽气式高温计在相同的抽气速度下，在隧道窑预热段连续测量四次所得 的四组温度曲线，每次测量完毕从炉内抽出，间歇30s左右，并使热电偶温度降回到室温。 由图3可见：随着连续测量次数增加，钢管上积蓄的热量增多，降温速度减慢，到(d)时， 停止抽气后温度也几乎不下降，所以比值π。/τ是个变值，也就是说，同一抽气高温计在相 40
一 可见显 示 仪表 的 影响 很 大 ， 应足 够 重 视 显示 仪表 测 员的 准确性 。 但 是 ， 现 有的 显示 仪表 都 不适 合在热 能测 试 土应 川 ， 不 但体积大 ， 携带 不便 ， 而 且在测 试现场 恶劣环 境 下不能 保证 仪表 原有 的精度 如动 圈式温度 表等 。 若采 用高精 度 的 数 字 表 ， 不仅 要求 在 良好 的环 境条件下 使用 ， 而 且操作又 较 麻烦 。 但热能 测试现场 条 件 非 常 恶 劣 ， 冬 天 车 间温度 零度 ， 测 量 时 在 炉 门 口 几秒 内就 可升 到 一 ℃ ， 所 以必须 要 有 良好 的杭 震 ， 抗强磁 场 、 抗环境沮度 剧 变和 使 用 方便等性 能 ， 才 能 保证 测 出结 果 的准确性 ， 因此 ， 我 院 研制 了能 满足 以上 要 求 的数字 式温度 表 。 提 高传感 器 的测 量 准确 性 测量气体 温度的传感 器 是抽气热 电偶 ， 对它 采取 以下 措施 提 高 灵放度 用 上述两 种新型高 灵敏 的高温计 实测 证 明 ， 气体温度无论 空间和 时 间上 变化都 很 大 ， 无论 炉 胜 内或烟 道 内每一 点的温度都有 明 显的差别 ， 因此 只有高 灵敏 的仪 器 ， 刁 ‘ 能 真正测 出气体 温度 ， 这 正象用 毕 托管测量 流量 一样 。 只有小型轻便 化 ， 才 有 较高的 灵敏度 ， 才 能方便地 置 于任 一测量 点 ， 测 出温度 场 ， 对测 量 周期 性波 动很 大 的气 体 温 度 来 说 ， 才 能使动 态和静态误 差 较小 。 对抽 气 高温计 来说 ， 影响 灵敏性 主要 是遮 蔽罩 的热惯性 、 轴 向 导热 破 、 合适 的抽 气速 度 和 抽 气量 大 小 ， 因此 在保 证 抽 气速度 为 一 冷 态 条件下 ， 将 遮 蔽 翠 的热 容量 或 尺 寸减 到 前 的 录小值 见 图 和 图 。 一 年多实践证 明工 作完 全可靠 ， 同时对减 小 辐 射误 差也有好处 。 提 高遮 蔽罩 壁温 若 遮 蔽 罩壁温 愈高 ， 愈接近气体温 度 ， 则 其防辐效果愈好 ， 因为 辐 射误 差 是与温 度的四次方 差 成 正 比 。 实践证 明沿 抽气 高温计轴 向的导热损失 极 大地 降低 遮 蔽罩 的壁温 ， 而 影响轴 向导热量 的 因素 是遮 蔽罩 壁厚 度和轴 向温度梯度 。 例如 已 有 的 测 量 ℃ 以下温 度用水 冷 ， 遮 蔽罩 壁厚 大 以 土 ， 抽 气速 度 虽 大 ， 但走气 环缝 很 小 ， 气量很 小 ， 这 样的结 构都致使遮 蔽罩 只能处 于很低 的壁温 下工 作 。 现遮 蔽罩 壁厚减 小到 与 对全 属 陶 瓷材料 ， 在注意 抽 气速 度 的 同 时 兼 顾 有较 大 的抽气 址 ， 如速 度 下限 虽然 只 有 ， 但有 较 大 的抽 气 量 ， 对 应 的流通 截面直径为 小 ， 实践证 明 同样 可 以得 到 较好 的效果 ， 若只求 流速 不计流量 ， 当抽力 不足 时 ， 用收 缩遮 蔽 罩 流通 截面 来提 高流速 得 不 到好 的效果 。 实现 自抽气 可 以保 证必 要 的 抽气速 度 ， 以确 保测 量精度 。 使用方便还 可兼作取 样 。 抽气式高温计精度分析 抽气 热电偶 效率系 数 有缺陷 日前 表 征抽气热 电偶精确程度 只 有 效率 系数 ， 但从 实验结 果发现它 不完 善 。 由 的 定 义 ， 它 只决定 于结 构和 抽气速度 ， 也 即 二 ， 。 几 ， ， 其 中 为遮 蔽罩 层数 ， ， 。 是停 止 抽气 后的降温 时 间 ， 下 是重新抽气 后的 升温 时 间 ， 但实测结果并非 如此 。 图 是 同一 个 抽气 式高温计在相 同的抽气速度 下 ， 在隧道窑预 热 段连续侧量 四次 所得 的 四组 温度 曲线 ， 每次测 量完 毕 从 炉 内抽 出 ， 间歇 左 右 ， 并 使热 电偶温度降 回到室 温 。 由图 可 见 随着连 续测 量次 数增加 ， 钢 管 上积 蓄的热 量 增多 ， 降温速度 减慢 ， 到 时 ， 停 止抽气后 温度 也几 乎不下 降 ， 所 以 比值 。 八 是个 变值 ， 也就 是说 ， 同一 抽气高温计 在 相
同的抽气速度下，效率系数E或精度是不定值， 30 所以E的定义有缺陷。 A R 由于目前世界上还没有一台测量工业炉气 体温度的标准仪器，效率系数E又不能确切地 12213G48601 表示传热误差的大小，所以下面提出一种分析 30 AB (b) 精度的方法一测量计算法，即测出原始数 据，计算误差，求出精度。 12243648605 3,2速度误差计算式和原始数据 (c) 39 这里所说抽气热电偶速度误差，按照惯 A 8 是指热电偶工作端所接触到的那部分气体的温 度与被测气体实际温度之差。 1224364860s (d) 工业炉内是低速气流，通常流速均在10m/s 30 AB 以下（除个别情况，如高压喷射式烧嘴），其动力 6 因素所造成的误差很微小（实际小于0.05℃）， 1224?546605 可以忽略不让，但若借助于外部动力，将逃人遮 蔽罩的气体流速提高到V2,例如150m/s,(见图 3抽气与停止抽气时温度记曲线（四次 人浓设是不同的，安图号顾序括入深度逐渐减小) 4),作为精确计算，气动力因素的影响不能忽 A抽气式高温计的抽风机断电 略。 B,抽风机叶轮停转 因抽气热电偶中进入遮蔽罩的流速被提高 Fig.3 Temperature record with 到V,它已不同于原有的流动状态，山于流速 and without aspirating 加大，气体密度减小，虽然M<1,气休温度也 要降低，这样进入遮蔽罩的气体温度已低于被 Thermocouple 测气体实际温度，这是第一次受到的影啊。当 高速气流碰到热电偶工作端后，气体被滞止，先 Combustion Prob Negative 前被增大的那部分动能的大部分又转变为热 camber or pressure chimney chamber 能，使热偶感受到的那部分气体温度回升，恢 flue a出 复多少称为复温系数Y,查文献〔4】得Y= 0.85。为简化，可理解为速度误差△t1由未恢 图4抽热地偶湖温示意 复的那部分动能所描述，气流的动能川温度 Fig.4 Temperature measurement scheme (义称动温)度量的关系式是： mCp'T=mV: (1) T= V2 (2) 2 2Cp 共m一州质量，Cp-一定比热 山(1)式，山！于抽气动能的变化为 m(V:-V:),由(&)式，动能恢复部分 2 所表现的温度值为 Y(V。V)，则未恢复部分归算为温度其作为 2Cp 1-Y)-y-V: -=Ai i=tm-t (3） 2Cp :
之 ， 魂吕 几八山 八‘目 同的抽气速度下 ， 效率系数 或精度是 不定 值 ， 所以 的定义有缺 舀 。 由于 目前世界上还 没有一 台测量工业 炉气 体温度的标准仪器 ， 效率 系数 又 不能确切 地 表示传热误差的大小 ， 所 以下面提 出一神分析 精度 的方法— 测量计算法 ， 即测 出 原 始 数 据 ， 计 算误 差 ， 求 出精度 。 速度误差 计算式和原始 数据 这里 所说 抽气热 电偶速度 误 差 ， 按 照 习惯 是指热电偶工作端所接触 到的那部分气体 的温 度 与被测气体实际温度 之差 。 工业 炉内是低速气流 ， 通常流速 均在 以下 除个别情况 ， 如高压 喷射 式烧嘴 ， 其动 力 因素所造成的误 差很微 小 实际 小于。 ℃ ， 可 以 忽略不 计 ， 但若借助于外 部动 力 ， 将迸 人遮 蔽罩的气体流速提 高到 ， 例如 ， 见 图 ， 作为精确计算 ， 气动力 因素的影响 不 能 忽 略 。 因抽气热电偶 中进 人遮 蔽罩的流速被提 高 到 夕 它 已 不 同于原 有的 流动状 态 ， 山于流 速 加 大 ， 气体密度减 小 ， 虽然 ， 气体温 度 也 要 降低 ， 这样进 人遮 蔽罩的 气体温度 己低 于 被 测 气体实际温度 ， 这 是第一次受到的影响 。 当 高速 气流碰到 热电偶工作 端 后 ，气体被滞 止 ， 先 前被 增大的那部分动 能的大部分又 转 变 为 热 能 ， 使热偶感 受 到的那 部分 气体温度 回 升 ， 恢 复多少称 为 复温系数 ， 查 文献 〔 〕 得 丫 。 。 为 简化 ， 可理 解为速度误 差 △ 由未恢 复的那部分动能所描述 ， 气 流的动 能 川 温 度 又称 动温 度量的关 系式是 一 一 一占一 一一 一一 一 一 吕 一一一 公 忆 工舀 弓 八匕 图 抽气与停 止抽气时 温度记录 由线 四 次 雨入深 度是不同 的 ， 按图号顺 序插入深 度逐渐减小 抽气式高温计的抽风机断 电 抽 风机叶轮停转 。 … …卜 夕 ， 万 ， 尸 了 ， ，，尸 尸， ，户们 图 抽匀热 电偶 测温 示 意 图 二 “ 。 二 昌 儿中 一 乙 毛团质考论 ， 一 定压 比 热 山 式 ， 山 于抽气动能的 变化 为 一思 委一 二 ， 山 名 式 ， 动 能 已 恢 复 部 分 ‘ 所表现 出的温度依为 丫 毖一 士三 ， 则未恢 复部分 归算为温度 共 点为 一 丫 少 一 忍 八曰 二 、 一
其中tm一一热电偶所能感受到的气体的实际温度，tg一被测气体实际温度。 式(3)中待测定的原始数据只一个，即热态下的抽气速度V2,它可以用标准流量管 较准确地测得5,6)。对0一1000℃的抽气式高温计，不收缩型遮蔽罩热态下流速实测结果 为90一120m/s(5)。 〔计算)：对燃烧烟气Cp=1000J/kg.℃，适宜的抽气速度经验值为80一120m/s,则 对于上限120m/s,其△t1为 院 △t1=（1-0.85)×1402-102 -=1.46℃ 2000 对于下限80m/s,△t1=0.47℃ 若被测气体本身的流速V:很高，如天然气高压唢射式烧嘴，喷出速度可达100/5，因 此还要加上V1本身被滞止而转为热能的那部分差值△t'1,它和△t:符号相反， ·五 At:=At,+At:=(1-Y)Vi-Vi-Y Vi=(1-Y)VI-Vi 2 2 2 机 (4) 由(4)式可见，在这种情况下，州速度就不受气动力因素影响的限制，可以提高抽 气速度，由6t=0,(1-0.85)V22-V2,=0,若取V1=100m/5,则抽气速度Vz可以 提高到258m/5。式(4)与文献4结论基本相同，但分析方法不同。 3.3传热误差计算和原始数据的测量 按图5所示端头部分的结构，其中d2=10mm,壁厚0.3mm,L=160~180mm,取1/d2 =8~9,根据传热原理并进行合理的简化，当达到热平衡后，就可写出传热误差△t2的计 ·代 算式 8ii8 Turbulence in5】 Hold ring 图50一1000℃抽气式高温计端头部分结构和遮蔽罩壁温的测量 Fig.5 Schematic of head unit of a suction pyrometer(0-1000C)and measuring the temperature of shield wall =tg-t,=cg-〔（-00)-（0-) h 100 (5) 其中t:一热平衡后热电偶工作端温度。 Ca Ca=1+(L1)p1 ·W/m.K导来辐射系数 是 C。=5.G7W/m2.K黑体辐射系数 取e:=0.8K型热也码黑度 42
一北京钢院 其中 — 热 电偶 所能感受到 的 气体的 实际温度 ， 一被测气体实际温度 。 式 中 待测定的 原始 数据 只 一 个 ， 即热 态下 的 抽 气速度 ， 它 可 以 用标准 流 量 管 较准确地测得〔 ， 〕 。 对 一 ℃ 的 抽 气 式高温计 ， 不收缩 型遮 蔽罩热 态下流速实测 结果 为 一 〔 〕 。 〔 计算 〕 对 燃 浇烟 气 二 。 。 ℃ ， 适 宜的 抽 气速度经 验值为 一 ， 则 对 于上限 ， 其△ ，为 △ 一 米 一 ℃ 对 于下 限 ， △ ， 若被测 气体 本身的流 速 ，很 高 ， 如天 然 气 高压 喷射 式烧嘴 ， 喷 出速度 可达 ， 因 此还要 加 上 ，本身被滞 止而 转为 热 能 的 那 部分 差值 △ ，， 它 和 △ 符号 相反 ， 机五号 △ ， △ ， △ ，产 一 丫 夏一 一 孟一 代 由 式 可见 ， 在这种情 况下 ， 抽气速度就 不受 气动力 因素 影响的 限制 ， 可 以提高抽 气速 度 ， 由△ ， 一 “ 一 “ ， 若取 二 ， 则抽气速度 可 以 提 高到 。 式 与文 献 结 论 基本相 同 ， 但分析 方法不 同 。 传 热 误差 计 算和原始数据 的测 盆 按图 所示端头部分 的结 构 ， 其 中 二 ， 壁 厚 ， ， 取 ， 根据传热原理 并进 行 合理的 简化 ， 当达到热 平衡后 ， 就可 写 出传热误 差 △ 的 计 算 式 钾 图 。 一 。 。 ℃ 抽 气式高 温计端 头部分结构和遮蔽罩壁 温 的测量 一 ℃ 二 、 产 ， ， 己 “ 一 ‘ 一 ‘ ’ 一 五一 贬 、 一 面石 其 中 、 —热 平衡 后热 电偶 工 作 端温 度 ， ‘ 长 马 工 、 导米 辐 射系 数 一一 一。 一 夕 甲 取 。 二 ’ · 黑 体 辐 射系 数 型热 电 黑 度
e2=0.6热态下遮蔽罩黑度，冷态下e=0.3 角度系数p21=F=…d;=.1.52 F2rdL=9.3×180=0.0013≈0 这里使用的是北京生产的中1mm铠装热电偶，其端头有直径约为1.5mm的小球， ∴.C4=e:C。=0.8×5.67=4.54W/m2·K h为对流给热系数，抽气热电偶的遮蔽罩与支撑在中心的铠装偶是同心管，对于管内或 两个同心管间的对流传热，按文献〔4〕中关系式： h=子×0.2x（Vd)0.8 (6) 公式(5)(6)里需要测量的数据有遮蔽罩壁温t2,热电偶温度t:和流速V,测量 方法和结果如下： 在钢质的遮蔽罩上焊接中1mm铠装热电偶以测壁温，如图5所示，在隧道窑预热段连 续测量三次，每次测量时间为20~305，两次中间从炉内抽出间歇30s左右，并使热电偶温度 降回到室温，测得数据列于表1，同时用标准流量管6)测得热态下流速为110m/s,流速的 范围为90~110m,/s,90m/s是可能发生的下限。 表1热电偶与遮蔽罩壁温差测量记录 Table 1 Measuring data of temperature difference between TC and shield wall Messuring Measuring TC Shield wall Temp.difference 4 times time,s temP,t1,℃ temp,ty℃ At,℃ 1 30 542 523 19 Time pause 20s 2 30 553 540 19 (Ti印cp4uae20s) 3 30 558 552 表1不说明随着测量次数增加，t,增高，因为炉气温度是波动的，但真实地说明了随着连 续测量次数增加，探头钢管上的温度梯度越来越小，遮蔽罩壁与热电偶的温差也越来越 小。按表1所示温度值查得烟气导热系数入=0.0705W/m·℃，运动粘度v=85×106m2/5, 当量直径d=9.3-1=8.3mm, h=a.g78×0.2x（10g8100)1=2847w/at 下限流速V2=90m/s时，h=2425W/m2.℃ 按表1第1次测量数据t1=542℃，t2=523℃，由式(7)得传热误差Atz Ata=:5〔（52+273)4-(523+278)4)=0.63℃ 2847 100 100 43
。 二 热态下遮蔽罩黑度 ， 冷态下 二 。 角度系数， ， 二 一 粤 一 二 厂 北 兀 。 。 。 “ 。 榴 这里 使用 的 是北京生 产的小 恺装热 电偶 ， 其端头 有直径约为 。 的小球 ， ， ‘ 二 。 。 二 ‘ · 为对流给热系 数 ， 抽气热 电偶的遮 蔽罩 与支撑在 中心的恺装偶 是 同心管 ， 对于管内 或 两个同心管 间的对流传热 ， 按文献 〕 中关 系式 · ‘ ︸ ﹃ ︸、 久 二 一一 、 — 。 之 汉 公 式 里需要 测量的数据有遮 蔽罩壁温 ， 热电偶温度 ，和流速 ， 测 量 方 法和结果如下 在钢 质的遮 蔽罩上焊接小 恺装热 电偶以测壁温 ， 如 图 所 示 ， 在隧道窑预热 段 连 续测量三次 ， 每次测量时 间为 一 ， 两 次 中间从 炉内抽 出间歇 左 右 ， 并 使热电偶 温度 降回 到室温 ， 测 得数据列 于表 ， 同时用标准流量管〔幻 测得热态下流速 为 ， 流 速 的 范 围为 了 ， 是可能发生 的 下限 。 表 热电偶与遮蔽策壁温差测 记 录 目 口 ， ， ℃ 一 ℃ 位 。 八 ， ℃ 通﹄ 匕︵，曰任 一尸 ﹄，‘生心‘︺ 知 勺廿︸ ︸匕 日。 口 ，。 。 表 不说明随着测 量次数增加 ， ，增高 ， 因为 炉气温度 是波动的 ， 但真实地说 明 了随着连 续测量次数 增加 ， 探头钢管上的温度 梯度越 来越小 ， 遮 蔽罩壁 与热 电 偶 的 温 差 也 越 来 越 小 。 按表 所示温度值 查得烟气导热系数久二 · ℃ ， 运 动粘度 ” “ “ “ “ ， 当量直径 二 一 二 ， ， 二 。 。 又 一 。 只 火 义 一 又 一 · 二 “ · ℃ 下 限流速 。 时 ， 按表 第 次 测 量数 据 “ · ℃ 二 ， ℃ ， ℃ ， 由式 得传 热误 差 △ 〔 净 一 十 二 ℃
按下限V2=90m/s, △t2=0.74℃ 若以同样的抽气速度，只是改变一下操作方式，在读数之前，先抽气1~2mi,得出 的测试结果如表1中的第三次测量数据，t,=558℃，t2=552℃，则△t2=0.22℃(V2= 110m/s),△t2=0.25℃(V2=90m/s)。 将测得数据与计算结果列于表2。 素 表2测得数据与计算结果汇总 Table 2 summary of mcasuring data and calculating results Mode of Measuring data Calculating results TC Shield Velocity value Velocity error Heat tranfer measurement temp. wall m/s ℃ crror ℃ temp. Nomina】Low limit 五 oC 120m/390m/s 120m/s90四/8 value possible value 机 --… First time 542 523 0.63 0.74 mcasurcmcnt 120 90 1.07 0,6 Reading after 558 552 0.220.25 1-2 min 由表2可见，传热误差在系统里所占的比重很小。考虑到传热公式的近似性，加上50% 的余量，0,74×150%=1.11℃，所以传热误差的相对植为6号 ×100%=0.11%,速度 第 误差的相对位68×100%=0.1%。 代 3.4确定抽气式高温计的精度 整个抽气式高温计的精度由系统基本误差决定，它包括四部分。根据精度定义，对0一 1000℃抽气式高温计(1)，其中K型偶基本误差为0.75%，由于中1mm铠装偶离散性大，为 留有余量取1.0%。是示仪老最大误差为士4℃，留有余最取士0C,其基本误差为0.0 李 ×100%=0.6%,所以系统相对误差百分数为 8=V1.02+0.62+0.112+0.12=1.18 所以将气式高温计的精度定为1.5级是可靠的。 A 结 语 从以上工作可以得出一些有意义的结论： (1)若设计合适，传热误差与速度误差所占的比重是很小的。要使气体温测量结果 谁确，必须重视显示仪表测量的谁确性：。 (2)抽'气速度太扁（知·般文献认为后要180n/s)并没有好处，要兼顿速度误差。 44
按下 限 ， 么 ℃ 若 以 同样的 抽气速 度 ， 只 是改变一下 操作方式 ， 在读数之前 ， 先 抽气 的 侧 试 结 果 如表 中的第三次测量数据 ， ， “ ℃ ， ℃ ， 则△ 二 ， 八 ℃ 。 将测 得数据与计算结 果列 于表 。 乙 ， 得 出 ℃ ︸北爪院钢 表 测得 数据 与 计 算结果 汇 总 ℃ 王 。 ℃ 。 。 。 ℃ 机号五 。 。 一 址 日 。 。 尸，，， ， ， ，尸 吧 钊 ， 一尿 一二气 一 一一 矛 ， ，” ， 侧 州 一 一 ，印 尸，户 呀 ，，口曰 ， ，， ， ， ， 一 一 ， ， ‘ ， ，， ， ，， ，曰尸 一 介， 尸，，和 ， 一一 ，附 ， 护，尸由月， ， 一 ，护 一一 一 一 一 一 由表 可 见 ， 传热误 差 在系统里 所 占的 比重很 小 。 考虑 到传热 公 式的近 似性 ， 加 上 代第 的余量 ， 。 又 二 ℃ ， 所 以传热误 差的 相对 值 为 误 差的相对 、 瑞矛 。 ” 二 · ‘ 。 。 只 二 ， 速 度 确 定 抽气 式 高温计 的精度 整个 抽气 式高温 计的精度 由系 统 基本误 差决定 ， 它 包括 四 部分 。 根 据精度定义 ， 对 一 ℃ 抽气 式 高温 计 〔 ’ 〕 ， 其 中 型偶 基本误 差为 ， 由于小 恺装偶离 散性大 ， 为 留有余 量取 。 。 显示 仪表 最 大误 差 为 士 ℃ ， 留有余量取 士 ” ， 其基本误 差 为 万赢 二 ， 所 以系 统 相对误 差百分 数为 己二 训 “ “ “ 所 以 将 抽气 式 高温 计 的精度 定 为 级 是可靠的 。 结 语 从 以 工 作可 以 得 出一 些 有 意 义 的结 论 若设 计合适 ， 传热误 差 与速度 误 差 所 占的 比重 是很 小的 。 要 使气体温度 测 量结果 准确 ， 必须 重 视显示 仪表 测 能的 准确性 。 抽 气速 度太 高 如 般 文 献 认为需 要 井 没有 好处 ， 要兼顾 速度 误 差
热电偶与遮蔽罩沿轴向温度梯度必须重视，不仅要有合适的抽气速度，且也要有足够的抽 气量，那种将热偶工作端处的走气环缝收缩得很小的做法是不适宜的。 (3)薄壁小尺寸的单层遮蔽罩只要设计合理，可以获得很好的测量效果，即辐射误差 小，灵敏度很高，可以较真实地测出1700℃以下工业炉火焰的温度场(2,5门，1000℃以下烟气 和其他气体的温度场1,5)。 (4)比较容易地制成高精度的抽气式高温计，因为显示仪表我院已研制成误差小于± 1℃的数字温度表样机。传热误差与速度误差完全可以确切地控制在0.1%以下，热电偶可采用 S型和B型短偶结构（不同于日前已有的结构），10~15cm长即可，既可保证精度，又可降 低成本。 参考文献 〔1)方之岗：“计量技术”已排印。 〔2〕方之岗：“计量技术”待发表。 〔3〕清华大学工程力学系热物理教研室：热物理测量技术。1982， 〔4〕Chedai11e,J.火焰量宁宝林、杨泽宽泽，冶金工业出版社H版，1985， 11~12 〔5〕方之岗：双用抽气式高温计，短偶高灵敏抽气热电偶鉴定会资料1~5，北京钢 铁学院资料室，1985 C6 JOwer,Ernest;The measuremcnt of air flow.5 th.cdit,New York 1976 45
热电偶与遮蔽罩沿轴 向温 度梯度 必须重 视 ， 不仅要 有 合适的 抽气速度 ， 而 且 也要 有足 够的 抽 气量 ， 那种将热偶工作端处的走气环缝 收缩得很小的做 法是不适宜的 。 薄壁小尺 寸的 单层遮 蔽罩 只要 设 计合理 ， 可 以获得很 好的测 量效果 ， 即辐 射 吴差 小 ， 灵放度很 高 ， 可 以 较真实地测 出 ℃ 以下工业 炉火 焰的温度 场 〔 ， 的 ， ℃ 以下烟 气 和其他气体的 温度 场 〔 ，， 〕 。 比较容易地制 成高精度 的抽气 式高温计 ， 因为显示 仪表 我院 已研制 成 误差 小 于 士 ℃的数字温度表 样机 。 传 热误 差 与速度误 差完全可 以确切地 控制 在 以下 ， 热 电偶 可采 用 型和 型短偶结构 不 同于 目前 己有 的结 构 ， 一 长 即 可 ， 既 可保证精度 ， 又 可 降 低成本 。 参 考 文 献 〔 〕 方 之 岗 “ 计量 技术 ， 已 排 印 。 〔 〕 方 之 岗 “ 计量技术 ” 待发表 。 〕 清华 大学工程 力学 系热物理 教研室 热 物理 测 量技术 。 ， 〔 〕 ， 火 焰测 量 宁宝林 、 杨泽 宽 译 ， 冶金工业 出版 社 出 版 ， ， 〔 〕 方之 岗 双用 抽 气式高温计 ， 短偶 高 灵敏 抽气热 电偶 鉴定 会 资料 ， 北京钢 铁学院资料 室 ， 〔 〕