在石油化工生產(chǎn)過程的測量和控制中，溫度是最基本的參數(shù)之一。按照溫度計的感溫部分是否與被測介質(zhì)相接觸，溫度測量儀表可分為接觸式與非接觸式兩大類。在現(xiàn)代化的石油化工裝置中，接觸式溫度儀表依據(jù)測量原理主要分為以下幾種：熱膨脹式溫度計(固體、液體、氣體)，熱電阻，壓力式溫度計，熱電偶。
由于溫度計的感溫部分要與被測介質(zhì)相接觸，因此感溫部分的保護(hù)顯得尤為重要。為了保護(hù)溫度計的感溫部分免受測量介質(zhì)的沖刷和腐蝕，并使得溫度儀表的輸出能夠精確地反映被測介質(zhì)溫度的高低，各種測溫儀表均帶有套管。
根據(jù)ASME PTC 19.3(ASME性能試驗規(guī)范儀表和儀器補遺-溫度儀表)的要求，溫度計套管在制造加工前必須進(jìn)行工藝介質(zhì)流速狀況下的計算，溫度計套管的形狀和結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該依據(jù)介質(zhì)的溫度、壓力、密度和流速及所需插入長度而定。影響溫度計套管強度的因素有流動引起的振動、流動引起的應(yīng)力及流動引起的過程壓力等。在工藝工況穩(wěn)定的前提下，流動引起的振動對溫度計套管產(chǎn)生的影響最大。下面通過計算來介紹流動引起的振動對溫度計套管的影響以及如何減小此影響的方法。
溫度計套管性能計算
簡諧運動的振動頻率是由振動物體本身的性質(zhì)決定的，所以叫固有頻率(fn)。固有頻率與物體的密度、外形等物理因素有關(guān)。在流體前進(jìn)的路徑上放置一個非流線型的物體，有時會在物體后面發(fā)生一個規(guī)則的振動運動。1911年，匈牙利科學(xué)家卡曼專門研究了這種圓柱背后渦流的運動規(guī)律。研究表明，圓柱背后生成的旋渦是交替脫落、在尾流中交叉排列，旋轉(zhuǎn)方向相反的有規(guī)則的兩行渦列，故稱為卡曼渦街。
物體后面放出旋渦的頻率稱為渦區(qū)頻率(fw)。渦區(qū)頻率與物體的形狀和流速有關(guān)。即
，式中St為斯特羅哈系數(shù)，在雷諾數(shù)為5×102～15×104的范圍內(nèi)，St基本上是一個常數(shù)，對于圓柱體St=0.20；v為流體流速，m/s；d為圓柱直徑，m。對卡曼渦街的研究發(fā)現(xiàn)，由于柱面上的渦以一定的頻率交替脫落，因而柱面壓力和切向力也以相同的頻率發(fā)生規(guī)則的變化，產(chǎn)生交變的橫向力，如果這個施加在圓柱上的橫向交變力與圓柱的固有頻率相等，就會引起柱的共振， 使其振幅越來越大直至破壞。
因此，對于溫度計套管來說，應(yīng)使溫度計套管的fn和fw滿足一定的關(guān)系，以避免共振的產(chǎn)生， 防止損壞溫度計套管和套管內(nèi)的傳感器。在ASME PTC 19.3中對此做了明確的規(guī)定：fw/fn＜0.8[即(溫度計套管渦區(qū)頻率÷溫度計套管固有頻率)＜0.8]。
1、溫度計套管固有頻率的計算公式
式中Kf為溫度計套管的結(jié)構(gòu)系數(shù)(Kf與套管的內(nèi)徑D0，根部直徑D1，頂部直徑D2有關(guān)，決定溫度計套管的外形，從而影響套管的固有頻率)；L為溫度計套管的插入深度，m；E為溫度計套管材料在使用溫度下的彈性模量；ρ為溫度計套管材料在使用溫度下的密度，kg/m3。
2、溫度計套管渦區(qū)頻率的計算公式
式中St為斯特羅哈系數(shù)，在雷諾數(shù)為5×102～15×104的范圍內(nèi)，St基本上是一個常數(shù)，對于圓柱體St=0.20；v為流體流速，m/s；B為為溫度計套管的結(jié)構(gòu)尺寸系數(shù)，一般等于套管根部直徑，m。
3、溫度計套管性能計算實例
可以利用上面的公式對溫度計套管進(jìn)行計算，昌暉儀表舉例說明。
例如，假設(shè)一支溫度計套管B=25mm，Kf=3.06×10-3，L=550mm，v=27.95m/s，E=1.9×1011Pa，ρ=7916.48kg/m3。在計算時，所有單位都采用國際單位制。
由于fw/fn遠(yuǎn)大于0.8，根據(jù)ASME PTC 19.3的要求，此溫度計套管是不符合標(biāo)準(zhǔn)的，若對此不加以改進(jìn)，將會使溫度計套管日后在一種“危險”的狀態(tài)下工作。可以通過減少溫度計套管的插入深度，同時加粗套管根部直徑的辦法來使fw/fn小于0.8，將插入深度改為L=250mm，根部直徑改為B=30mm，則
利用上面的公式可以方便地進(jìn)行溫度計套管性能計算，可使溫度計套管在設(shè)計、選型過程中更加安全、可靠，從而在實際生產(chǎn)過程中避免事故的發(fā)生 。
在石油化工裝置的設(shè)計過程中，溫度儀表的設(shè)計、選型數(shù)量很多而且地位也很重要。對于溫度測量有時也許不像對液位和流量的測量那樣豐富多 彩，那么具有挑戰(zhàn)性，但對于一個設(shè)計工程師而言，不要認(rèn)為“我們一直是這樣做的”便是最合適的、最好的，為了盡可能準(zhǔn)確反映流體溫度和保護(hù)溫度計的感溫部分免受測量介質(zhì)對其沖刷和腐蝕，應(yīng)該對溫度計套管在設(shè)計、制造加工前必須進(jìn)行工藝介質(zhì)流速狀況下的計算，從而保證溫度儀表安全、準(zhǔn)確地投入使用。
作者：漢建德、郭峰、趙瓊
