燃气轮机测试-第3章 接触式温度测量技术

03第3章·原书P30–P39CHAPTERTHREE接触式温度测量技术透平进口温度是影响燃气轮机效率的重要参数，H/J级重型燃气轮机透平进口温度已达1600℃。本章讲清楚“温度怎么定义、用什么仪表测、热电偶为什么能测”。1温度测量概述（3.1）——温标、ITS-90与测温方法2膨胀式温度计（3.2）——玻璃管、双金属与压力式3热电偶温度计（3.3）——原理、定律、补偿与测量4燃气轮机上的应用（3.3.7–3.3.8）——叶片测温与校验机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

·燃气轮机试验与测试技术3.1.1–3.1.2温标与ITS-90国际温标温标三要素固定点：物质不同相之间可复现的平衡温度；标准仪器：一种测温物质制成的、作为实现温标的仪器；内插公式：确定任意点温度值的数学关系。经验温标以摄氏温标（1742，水银玻璃温度计，冰点0℃、沸点100℃，分100等份）与华氏温标（1724，冰点32℉、沸点212℉）为代表，依据水银受热体积膨胀建立：F=9/5·t+32（3-1）。热力学温标1848年由开尔文以热力学第二定律为基础引出，以卡诺循环为基础：Q2/Q1=T2/T1（3-2），与测温物质无关，又称开氏温标。规定水三相点热力学温度273.16K；T=t+273.15（3-3），故水三相点为0.01℃。ITS-90国际温标由国际计量委员会在第18届国际计量大会第7号决议通过，1990年1月1日正式实施，是国际协议性温标：与热力学温标接近、复现性好、使用方便。定义国际开氏温度T90（K）与摄氏温度t90（℃），关系同式（3-5）。固定点与温度点共17个：14个高纯物质的三相点、熔点和凝固点，3个蒸气压或气体温度计测定的温度点。各温区的内插仪器：0.65~5.0K用氦蒸气压温度计；3.0~24.5561K用定容式气体温度计；13.8033~961.78K用铂电阻温度计；961.78K以上用光电高温计。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

·燃气轮机试验与测试技术3.1.3温度测量方法表3-2常用测温仪表的种类及优缺点（摘录）测温方式温度仪表的种类测温范围/℃非接触式辐射式400~2000非接触式光学式700~3200非接触式比色式900~1700非接触式红外式（热敏探测）-50~3200非接触式红外式（光学探测）0~3500非接触式红外式（热电探测）200~2000接触式膨胀式（液体）-50~600接触式膨胀式（双金属）-80~600接触式压力式（液体）-30~600接触式压力式（气体）-20~550优缺点：非接触式测温不破坏被测温度场、响应快、测温范围大，但低温段不准、易受外界干扰、标定困难；接触式结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉，但测温上限与准确度受材料限制，且不能记录和远传。两大类方法按仪表是否与被测对象接触划分。非接触式通过热辐射、声学、光学等原理测温，元件不接触介质：测温范围广、不受测温上限限制、不破坏被测温度场、热惯性小、响应速度快。接触式需与被测介质充分热交换，存在测温延迟，并受耐高温材料限制。接触式测温仪表结构简单、可靠，测量准确度较高。本部分重点介绍常用的接触式温度测量方法。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

燃气轮机试验与测试技术3.2膨胀式温度计图3-2双金属温度计原理图：两种线膨胀系数不同的金属片叠焊成双金属片感温元件，一端固定、一端为自由端①玻璃管液体膨胀式：ΔV=V0(α−α′)(t2−t1)（3-6），h=ΔV/(πd²/4)（3-7）；V0越大、α

越大、d越小，灵敏度越高但量程越小；水银在−38~356℃保持液态，可作精密标准温度计。②

固体膨胀式（双金属）：偏转角α=K·L·(t−t0)/δ（3-8），抗振耐用，精度等级仅1~2.5级，测温约−80~600℃。③

压力式：由温包、毛细管和弹性压力表组成；充气式上限500~550℃、充液式−40~550℃；工作距离不超过60m。判断：膨胀式温度计的共同局限是信号不能远传和自动记录。玻璃温度计准确度高但易损坏、只适合现场直接读数，并需定期校验零点位置，避免玻璃热胀冷缩引起的零点漂移。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.1热电偶测温原理图3-4塞贝克效应示意图：由两种不同导体A、B组成闭合回路，两接点1、2处于不同温度T和T0时回路产生热电流EAB(T,T0)=[ϕAB(T)−φA(T)+φB(T)]−[ϕAB(T0)−φA(T0)+φB(T0)]=eAB(T)−eAB(T0)（3-11）塞贝克效应两种不同导体A、B组成闭合回路，两接点处于不同温度T和T0时回路产生热电流，其电动势称热电动势——1821年塞贝克发现的热电现象。热电动势的组成由温差电动势与接触电动势组成。温差电动势（汤姆逊电动势）eA(T,T0)=φA(T)−φA(T0)（3-9）：只与导体性质及两端温度有关，与导体长度、截面积、沿长度的温度分布无关。测量热电动势EAB(T,T0)的大小即可确定温度T，这就是热电偶测温的工作原理。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.2热电偶的基本定律图3-8加有中间导体的热电偶回路均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论截面积如何以及温度分布如何，都不可能产生热电动势，据此可检测热电极材料的均匀性。中间导体定律由几种不同材料组成的闭合回路，若各种材料接触点的温度都相同，则该回路中的热电动势为零。EABC(T,T1,T0)=eAB(T)+eBA(T0)=EAB(T,T0)（3-12）推论接入第三种均质材料，只要两端温度相同就不影响回路热电动势（3-12），故连接导线与显示仪表均可视为中间导体（3-15）；还可用开路热电偶测量液态金属与金属壁面温度（图3-9）。中间温度定律：EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)=EAB(T1,T3)（3-21），为补偿导线提供理论依据。三条定律共同保证“测热电动势即可确定热端温度”在工程接线中成立。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.3热电偶冷端温度补偿图3-12补偿导线在热电偶回路的连接：A′、B′为补偿导线，冷端由原T′0变为新冷端T0①补偿导线法：延长型与补偿型，使用温度0~100℃，须与热电偶配套；②

计算修正法：E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)（3-22），适用于实验室；③

冰点槽法：准确度高但需冰水两相共存，仅用于实验室校验；④

冷端补偿器法：不平衡电桥，R1=R2=R3=RCu=1Ω，供电4V，20℃平衡。为什么必须补偿热电动势只有在冷端温度恒定且已知时，才是热端温度的单值函数；实际应用中冷端处于温度波动的环境，因此必须进行冷端温度补偿。补偿电桥原理冷端温度升高时RCu增大，a、b两端输出不平衡电压Uab，而热电偶热电动势Ex减小；若Uab的增加量等于Ex的减少量，则指示值不随冷端温度变化，实现自动补偿。现场在线测量首选补偿导线＋补偿电桥；实验室高精度测量首选冰点槽法。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.4–3.3.5标准化热电偶与热电偶构造图3-15普通热电偶的结构示意图标准化热电偶定型生产、工艺成熟、性能稳定并已列入国家标准化文件，具有统一的分度表，规定了热电动势与温度的关系、热电极材料、热电性质与允许偏差。常用分度号有S、R、B、K、E、J、T：S/R/B为贵金属，K/E/J/T为廉金属。非标准化热电偶用于超高温、超低温、高真空与核辐射等场合，需逐支标定。典型性能B型长期可用至1600℃；K型长期1200℃、平均灵敏度约0.04mV/℃；E型热电动势率最高；T型在−200~350℃准确度最高。普通热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒组成；特殊热电偶含铠装热电偶（外径0.25~12mm，时间常数可小到毫秒级）、薄膜热电偶（热响应达微秒级）、消耗式快速微型热电偶（响应时间4~6s）。热电极材料应满足：物理化学性能稳定、热电特性好且近似线性、灵敏度高、电导率高而电阻温度系数小、复现性好、资源丰富价格便宜。测量空间受限、温度变化复杂的瞬态测温必须选薄膜热电偶。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术燃气轮机试验与测试技术3.3.6热电动势测量动圈式仪表以磁电原理测量微安级电流：旋转力矩M=nBAI（3-23）与张丝反力矩平衡得偏转角α=CI（3-25），偏转角与电流成单值正比例关系；但回路电阻变化会带来误差。直流电位差计高精度测量改用直流电位差计：按随动平衡方式工作、静态平衡时热电偶回路无电流，故对回路电阻变化没有严格要求；自动电子电位差计精度等级0.5级，可自动显示记录并自动补偿参比端温度。数字电压表由输入电路、A/D转换器、数字显示器、逻辑控制电路组成，A/D转换器是其核心。判断：要求精度选电位差计，要求自动化与记录选电子电位差计或数字电压表。图3-22动圈式仪表测量机构示意图图3-26手动电位差计原理机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术

燃气轮机试验与测试技术3.3.7–3.3.8燃气轮机上的应用与热电偶校验图3-30薄膜热电偶在透平叶片上安装的示意图及实物图（安装时使用通孔引线连接技术解决超高温环境下的信号传输问题）校验：必须在表3-6所列温度点进行，校验点温度控制在±5℃，标准表允许误差为被检表的1/3~1/10，目前常采用双极比较法。应用背景H级燃气轮机透平进口温度超过1400℃，热端部件温度必须实时监控。薄膜热电偶热响应时间达微秒级，用于透平叶片与燃烧室壁的瞬态温度测量。试验装置（图3-31）透平叶片安装在管式真空炉中，高温1000℃、低温700℃，进行四次循环加热（S1~S4）。SGT5-8000H应用16个N型三支热电偶测量末级叶片出口流道温度；两叶片流道温度偏差达54℃，远超分散度保护动作值40℃，系统触发保护使燃气轮机跳闸。机械工业出版社·教材配套课件第3章

接触式温度测量技术3.4热电阻温度计图3-39热电阻体的引线形式（原书）1—二线制2—三线制3—四线制原理电阻随温度变化的参数型敏感元件，与测阻仪表配套组成温度