基于传热原理的热电偶测温误差模型及应用

　　0　引　言

　　温度控制是热工设备非常重要的参数控制,其测量和控制的准确与否,影响着优化的热工制度的实现和设备的高效、低耗运行。当测温误差较大时,不仅会导致热工设备预定的温度制度无法实现,而且,还会导致设备运行的不正常,甚至可能导致安全事故的发生。就带有空气预热装置燃烧系统助燃空气温度而言,它不仅指示了空气预热效果,而且,还决定性地影响煤粉的稳定燃烧及燃烧温度。温度控制过高,通过预热装置的助燃空气量过小,换热器换热能力下降,热工设备的热效率下降;温度控制过低,因燃烧效率下降和多余风量排放,同样导致热效率下降。在线检测各测控点温度时,裸装热电偶(以下简称裸偶)受环境高、低温热源辐射影响(如,燃烧室高温火焰热辐射、热电偶节点对低温内壁面热辐射)很难获得准确的测量结果。为了确保控制的准确性和减少温度波动,人们在减少热电偶本身测量误差和提高温度控制精度方面进行了卓有成效的研究工作^[1~12],而对因传热原因造成的热电偶测温误差研究鲜有报道。由热电偶自身和温度控制精度方面原因造成的测控误差现已能减少到足够小的程度,而以往常被人们疏忽的传热原因造成的测温误差现已成为热电偶测温误差的主要构成部份。研究热电偶节点温度与被测流体的温差,不仅能够给出传热学上热电偶测量流体温度误差大小,获得减少这种误差的方法,而且,也为过程设备温度的在线检测及控制优化提供了保证。

　　1　热电偶测量误差产生机理

　　用于检测各测控点温度的裸偶测头,由于受环境热源影响,热电偶输出的温度信号高于或低于测点的真实气流温度信号(分别对应于裸偶接受高温环境净辐射和向低温环境放出净辐射热2种情况)。此外,裸偶信号传输过程中的损耗与失真、热电偶冷端环境温度变化、热电偶测头热容和热电偶测头与气流之间传热阻力造成的热电偶测头温度变化滞后及热电偶表面积灰,也将一定程度引起热电偶的测温误差。由于上述诸种原因,造成热电偶温度读数与气体的真实温度存在相当大的误差,不能满足温度的精度控制要求。因此,为了确保温度控制精度,有必要对裸偶测温误差产生机理和减少其测温误差的途径进行研究。

　　2　静态测温误差模型的建立

　　2.1　抽气热电偶测量误差分析

　　2. 1. 1　基本假设

　　校正祼偶测量温度时,常用图1所示的抽气热电偶。为使问题简化,作如下假设:

　　(1)忽略热电偶丝和遮热套的径向导热热阻; (2)测试在稳定情况下进行,气流温度波动较小,忽略气流温度波动对热电偶测头对流传热系数的影响; (3)考虑到高温气流的音速很大,热电偶测头所在地的马赫数小于0. 2,忽略高温气流迟滞过程对热电偶测温的影响^[13]; (4)基于稳定运行时气流温度波动较小和波动统计的均匀性,忽略测点处内壁温度T_w在气流温度波动过程中的变化; (5)假定热电偶的黑度和遮热套的黑度相等。