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柴油发电机温度试验仪器的测量原理 |
温度测量是柴油发电机测试的主要项目之一，在柴油发电机中，进排气温度、燃烧气 体温度以及冷却水温度、润滑油温度等都是影响柴油发电机性能的重要参数。要提高 柴油发电机的工作性能，准确控制过程工况，就必须对柴油发电机的工作介质和工作环境 的温度进行测量。此外，随着柴油发电机的不断强化，零件承载热负荷强度日益突出， 因而零件温度的测量也越来越重要。因此，温度测量在柴油发电机科研和生产以及使用中都是不可缺少的测试项目。
一、柴发温度测量的目的
柴油发电机组温度测量的主要目的是保障机组安全、稳定、高效运行，并延长其使用寿命。
1、防止过热损坏
（1）发动机核心部件： 气缸盖、气缸套、活塞、活塞环、气门、轴承（曲轴轴承、连杆轴承）等关键部件在高温高压下工作。温度过高会导致：
① 金属强度下降： 材料软化、变形（如拉缸、活塞烧熔）。
② 润滑油失效： 机油高温下粘度下降、氧化变质，失去润滑能力，加剧磨损甚至导致轴瓦烧毁（抱轴）。
③ 热应力过大： 导致裂纹（缸盖裂纹最常见）。
（2）涡轮增压器： 涡轮端承受极高的排气温度。温度过高会烧毁涡轮叶片、损坏轴承、导致增压器失效。
（3）发电机绕组： 定子和转子绕组温度过高会破坏绝缘层（绝缘老化、烧毁），导致短路、接地故障，甚至烧毁发电机。
2、优化运行性能与效率
（1）冷却系统监控： 发动机冷却水（缸套水）温度、机油温度直接影响发动机的热效率和燃烧状况。温度过低（冷启动）导致燃烧不完全、效率低、磨损加剧；温度过高则效率下降、功率受限、风险剧增。测量这些温度有助于将冷却系统维持在最佳工作温度区间（通常80°C-95°C）。
（2）进气温度： 影响空气密度和燃烧效率。测量进气温度（特别是增压后的中冷后温度）有助于评估增压和冷却效果。
（3）排气温度： 是反映发动机燃烧状况、负荷状态和喷油系统工作是否正常的重要指标。各缸排温的不均匀性可以帮助诊断喷油器故障、气缸密封性问题等。排温过高通常意味着燃烧恶化、后燃严重或超负荷。
3、故障诊断与预警
（1）早期预警： 温度的异常升高通常是故障即将发生或正在发展的早期信号（如冷却系统故障、润滑不良、燃烧不良、超负荷、部件卡滞等）。持续的温度监测系统可以在温度超过安全阈值前发出警报或自动停机，避免灾难性故障。
（2）故障定位： 通过比较不同部位（如各缸排温、各缸缸盖温度、轴承温度）的温度，可以辅助判断故障位置（例如，某一缸排温异常低可能表示该缸喷油器堵塞；某一轴承温度过高可能表示该轴承磨损或润滑不良）。
（3）趋势分析： 记录历史温度数据，可以分析机组性能的变化趋势，预测潜在问题，指导预防性维护。
4、其他方面
（1）保护发电机：如前所述，绕组温度的监测是防止发电机因过热而烧毁的关键。温度传感器（通常是PT100或热敏电阻）嵌入定子绕组和/或轴承中，实时监测温度。
（2）确保润滑有效性：机油温度直接影响其粘度、流动性和润滑能力。温度过低（冷启动）时油太稠，流动性差，润滑不足；温度过高则油太稀，油膜强度不足，同样导致润滑不良。监测机油温度是确保润滑系统正常工作、保护运动部件的必要条件。
（3）延长设备寿命：将各部件的工作温度控制在设计允许的范围内，可以显著减缓材料老化（如橡胶密封件、绝缘材料）、减少热疲劳、降低磨损速率，从而有效延长整个发电机组的寿命。
二、柴发温度测量的内容和工具
1、测量的内容
（1）稳定的或变化缓慢的流体温度测量，如大气温度、冷却水温度、机油温度等。
（2）高速脉动气流的温度测量，如排气的平均温度和瞬时温度的测量。
（3）柴油发电机气缸内燃烧火焰温度的测量。
（4）零件温度的测量，如活塞、气阀等零件的表面温度或温度场的测量。
2、测量仪器的分类
由于在柴油发电机测试中所遇到的温度测量是多种多样的，故要求采用不同的测 试方法和仪表。测温仪表按其作用原理可分为：
（1）利用液体或固体受热膨胀的性质的膨胀式温度计。、
（2）利用封闭在固定容积中的某种气体或液体的饱和蒸汽受热体积膨胀或压力变化的性质的压力表式温度计。
（3）利用导体或半导体受热后电阻值变化的性质的热电阻温度计。
（4）利用物体热电性质的热电偶温度计和利用物体热辐射性质的辐射高温计。
3、常见温度测量仪器
测温仪表按测温方法可分成接触式测温仪表和非接触式温仪表；按读数的方式又可分为指示式、记录式和远距离测量式三种。下面只介绍最简单几个温度测量仪。
（1）热电偶温度计
热电偶温度计常用于较高温度的测量，而且能够实现连续测量，所以它常用 于柴油发电机的温度测量中。
热电偶温度计的测温原理：将 A 、B 两种不同的导体组成闭合回路，若二连 接点温度（T ，To）不同，则在回路中就产生热电势形成热电流，这种现象叫做热电效应。把 A 、B 二导体的组合称为热电偶，A 、B 称为热电极，接触热场的 T 端称为工作端或热端，另一端 To 称为自由端或冷端。T 与 To 的温差愈大，热电 偶的输出电势愈大。因此，可用热电势的大小衡量温度的大小。热电偶温度计就 是根据热电效应原理来测量温度的。
表1 柴油发电机热电偶技术数据
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热电偶名称
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分度
号
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热电极材料
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20℃时
电阻率Ω•m㎡/m
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平均电阻系数1/K
|
热电势
E（0,100
℃）mv
|
实用温
度范围
℃
|
允许误差℃
|
||
|
极性
|
识别
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温度范围
|
误差
|
||||||
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铂铑1－铂
|
LB－3
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＋
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较硬
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0.193
|
20~1600℃：1.4×10³
|
0.643
|
0~1300
|
≤600
＞600
|
±3
±0.5%t
|
|
－
|
较软
|
0.17
|
20~1600℃：3.1×10³
|
||||||
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镍铬－镍硅
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EU－2
|
＋
|
不亲磁
|
≈0.72
|
20~1000℃：0.27×10³
|
4.10
|
0~1000
|
≤400
＞400
|
±3
±0.75%t
|
|
－
|
稍亲磁
|
≈0.27
|
20~1000℃：0.27×10³
|
||||||
|
镍铬－考铜
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EA－2
|
＋
|
色较暗
|
≈0.72
|
20~1000℃：0.27×10³
|
6.95
|
0~600
|
≤400
＞400
|
±4
±1%t
|
|
－
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银白色
|
≈0.49
|
20~600℃：0.05×10³
|
||||||
（2）玻璃管温度计和压力式温度计
应用最普遍的是液体玻璃管温度计，通常采用水银、酒精、甲苯、石油醚、 戊烷或其它液体作为工作液。在柴油发电机测量中，绝大多数采用水银温度计，它的使用范围在-30~750℃。· 当被测介质的温度在 460℃以下时，采用耶那玻璃；高于 460~E 时，采用石英玻璃。
另一种液体式温度计为液体－弹簧温度计， 它由温度传感器、钢制毛细管、 弹性测量弯管和指示器组成。绝大多数使用压力为 10~5MPa 的水银作测量液体，传感器的温度上升时，水银膨胀，弹性弯管变形，从而使指针偏转。此温度计的使用范围是-35~600℃。测量传感器、毛细管和弹性测 量弯管构成一个整体，不能改变管子长度。毛细管大多数用金属编织网保护。为避免额外静压产生的测量误差，毛细管应水平放置。在不可能水平放置的地方，必须对指示值 按高度差进行校正。
（3）干湿球式温度计
干湿球式温度计是用于测量大气温湿度的设备，温度计使用的水应是蒸馏水或纯净水，加水量以盛水容器的三分之二为宜。湿式温度计 （即湿球） 感温部位覆盖着潮湿的纱布， 由于水的蒸发吸热而温度较低，感温部位不覆盖着潮湿的纱布的温度计 （即干球） 测量常态温度；根据干湿球温度之差，即可读取当时的相对湿度。
● 温度测量范围：- 10~50℃
● 相对湿度测量范围：10%~100% RH
● 相对湿度示值误差： ±3% RH
● 例干球 18℃，湿球 15℃；其温度差 3℃，在 3 的纵栏与湿球 15℃的横栏交叉处 68℃ 就是表示相对湿度为 68%。
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图1 热电偶温度计结构图 |
图2 玻璃管温度计结构图 |
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图3 液体－弹簧温度计示意图（柴油机测量用） |
图4 干湿球式温度计结构图 |
三、 不同测温点测量步骤
1、发动机冷却液温度
最佳测量点在发动机缸盖出水口（上水管）或节温器壳体附近。这是反映发动机实际工作温度最准确的位置。方法如下：
（1）通过监控系统： 启动发电机组至正常工作温度（或查看历史运行数据），直接在控制屏上读取“冷却液温度”或“水温”。
（2）接触式测量 (停机冷机状态)：找到发动机上水管（通常较粗，连接散热器顶部或节温器）。用接触式测温仪（热电偶探头）紧密贴附在金属管壁上（确保良好接触），或如果设计允许且有接口，插入冷却液中（需专用接口，不常见于日常测量）。
（3）红外测温 (停机冷机状态，精度较低)： 对准上水管的金属表面测量（需注意发射率设置，通常金属漆面约0.8-0.95）。红外测液体内部温度无效。
（4）运行中测量 ： 通常依赖监控系统。如需手动，极度小心高温蒸汽和液体喷溅，仅由有经验人员操作，使用长探针的热电偶在安全位置接触测量。
2、机油温度
最佳测量点在 油底壳（主油池）或主油道（通常在机油滤清器座或主油道螺塞处）。方法如下：
（1）通过监控系统： 运行中读取“机油温度”。
（2）接触式测量 (停机冷机状态)：找到油底壳（底部）或机油滤清器座。清洁测量点表面（油底壳通常有油污，尽量擦净）。用接触式测温仪（热电偶探头）紧密贴附在油底壳壁或滤清器座金属表面。无法直接测油内部（除非有预留测温接口）。
（3）红外测温 (停机冷机状态，精度较低)： 对准油底壳侧壁或底部测量（发射率设置参考金属）。同样无法测内部。
（4）运行中测量： 强烈依赖监控系统。手动测量风险高（高温机油、运动部件）。
3、排气温度
关键测量点在 涡轮增压器涡轮入口前（总管排温 - Exhaust Gas Temperature / EGT）、各缸排气歧管出口（用于诊断各缸工作均匀性）。方法如下：
（1）通过监控系统： 现代发电机组普遍安装EGT传感器，运行中可直接读取总管EGT，高档发电机组可能分缸显示。
（2）接触式测量 (运行中)：需要专用高温热电偶（K型最高约1300°C）和配套仪表。热电偶探针需牢固插入排气管预留的测温孔（通常位于涡轮入口法兰附近或各缸歧管上）。无预留孔则风险极高，不推荐！操作人员必须高度熟练，严格防护，远离高温部件和废气。
（3）红外测温 (停机或运行中 )：
① 停机状态： 可安全测量排气管、歧管、涡轮壳体表面温度，用于初步检查（如比较各歧管温差）。
② 运行状态：启动发电机组至目标负荷（如额定负荷）。使用红外测温枪，对准目标金属表面（如涡轮入口法兰、排气歧管），保持适当距离（避免废气干扰）。
注意：红外测的是表面温度，通常比内部废气温度低很多（可能低100-300°C甚至更多），且受表面状况影响大。主要用于比较相对温度（如各缸歧管温差）、趋势观察或快速检查是否严重过热，不能替代EGT传感器读数。 发射率设置非常重要（氧化金属表面通常0.8-0.9）。
4、发电机绕组温度
（1）标准方法： 几乎完全依赖内置传感器（PT100铂电阻或热敏电阻）和发电机组监控系统读取。 这是最准确、最安全的方式。
（2）测量点： 定子绕组槽内（通常每相或关键位置有多个传感器）、轴承（如有）。
（3）步骤：启动发电机组至额定负荷运行一段时间（让温度稳定）。在发电机组控制屏上调阅“定子温度”、“绕组温度”或类似参数。记录各点温度。查看是否有报警或超限。
（4）手动测量 (不推荐，仅作极端情况参考)：绕组被严密绝缘包裹，外部无法准确测量其内部温度。
（5）红外测温：只能测铁芯或端部线圈表面温度，远低于内部实际温度，无实际意义。
（6）接触式测温：无法接触到内部导体。
5、其他点 (轴承、环境等)
（1）轴承温度： 通常通过监控系统读取内置传感器数据。红外测温可用于表面检查（运行中需小心）。
（2）环境温度： 使用普通温度计或红外/接触式测温仪测量发电机组进风口附近空气温度。
（3）中冷后进气温度： 通过监控系统读取。手动测量需在进气管路找到合适点，类似冷却液测量（接触式或红外测管壁）。
总结：
柴油发电机组温度测量是运行监控、安全保护、性能优化、故障诊断和寿命管理不可或缺的核心手段。它像柴油发电机组的“体温计”和“预警系统”，确保机组在安全、高效的状态下运行，防止代价高昂的停机甚至设备损毁。
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