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溫度傳感器如熱電偶或熱電阻，可能用于高溫、高壓及有高速流體沖擊的場(chǎng)合。所以必須有足夠強(qiáng)度的保護(hù)套管保護(hù)。保護(hù)套管的設(shè)計(jì)除考慮它的強(qiáng)度以保證傳感器正常、安全工作外，同時(shí)必須考慮熱惰性因素，以保證傳感器能迅速準(zhǔn)確地反映被測(cè)溫度。一般來(lái)說，保護(hù)套管壁厚的增加能提高應(yīng)力強(qiáng)度，但是壁厚的增加會(huì)增加傳感器的熱惰性，即傳感器對(duì)溫度反應(yīng)變慢。合理設(shè)計(jì)保護(hù)套管對(duì)工程實(shí)際具有非常重要意義。
關(guān)于溫度傳感器保護(hù)套管的強(qiáng)度有限元分析已有不少論著，但是這類著作中的有關(guān)內(nèi)容很少與近20多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有限元理論進(jìn)行比較，人們不清楚所用公式的精確程度。有些著作的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)代有限元分析結(jié)果相差甚大，已很難應(yīng)用于套管設(shè)計(jì)之中。
現(xiàn)在有限元對(duì)于一般的線彈性應(yīng)力分析、流體沖擊分析、線性振動(dòng)分析非常成熟，已被理論和工程實(shí)際所證實(shí)，但是對(duì)于各種形狀的保護(hù)套管應(yīng)用有限元計(jì)算需時(shí)較長(zhǎng)。所以對(duì)于工程技術(shù)人員來(lái)說這些大型有限元程序軟件并不能方便地使用。本文給出了有足夠精度的、簡(jiǎn)單的保護(hù)套管設(shè)計(jì)的近似計(jì)算公式，并給出計(jì)算公式的近似程度。
作為線彈性問題，套管受力符合疊加原理。我們將動(dòng)壓力引起的最大軸向應(yīng)力與靜壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力疊加，在內(nèi)外側(cè)，分別為)這里，我們給出了保護(hù)套管在靜壓和流體動(dòng)壓聯(lián)合作用下中間部分的應(yīng)力計(jì)算公式。它適用于各種形狀的套管。一般動(dòng)壓對(duì)強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)小于靜壓對(duì)強(qiáng)度的影響。所以兩端的應(yīng)力較小，可以不考慮。雖然用有限元方法可以求出整個(gè)套管的應(yīng)力分布狀況，但它針對(duì)一種具體形狀的套管。對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說，本文給出的計(jì)算公式要優(yōu)于有限元方法。
假定阻尼系數(shù)為0，保護(hù)套管受無(wú)阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)。將套管的振動(dòng)看成是連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)，根據(jù)里茨法求套管的自然頻率，取基函數(shù)為：以上基函數(shù)對(duì)于線性變截面懸臂梁，里茨法獲得的基頻與精確解的相對(duì)誤差僅為0.08%。所以，我們可以相信，取上述基函數(shù)里茨法獲得的套管的基頻與準(zhǔn)確值非常接近。因此無(wú)須利用其他數(shù)值方法計(jì)算。對(duì)于上述基函數(shù)，有質(zhì)量矩陣系數(shù)：是彈性模量。頻率f滿足以下方程式中，[M]和[K]分別是質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。求得一階和二階頻率fn。我們所需要的是一階頻率，即基頻f1。在使用過程中由流體撞擊所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為fs=Csvd，其中v是介質(zhì)流速(m/s)，d是保護(hù)套管端部直徑(m)，Cs是斯屈赫系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)，取0.197(1-1/Re)。保護(hù)套管設(shè)計(jì)要求滿足下列關(guān)系：一般來(lái)說，流體撞擊產(chǎn)生的激勵(lì)頻率要遠(yuǎn)低于套管基頻，故在無(wú)其他激勵(lì)情況下，套管符合(24)式的頻率要求。
以錐形保護(hù)套管為例，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，并與MSC.Nastran的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。取d01=d0，那么dc=d0。以圖1錐形保護(hù)套為例，保護(hù)套管的幾何尺寸：L=100 mm，L1=90 mm，D=38 mm，d=22 mm，d01=d0=10 mm。保護(hù)套管材料密度為7820 kg /m3，彈性模量E=200 GPa。材料的105h蠕變抗拉強(qiáng)度為52MPa。保護(hù)套管受靜壓力p=25.4MPa。流體為水蒸氣，密度為γc=63 kg /m3，流速v=60 m/s。
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