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熱電偶傳感器習題
第5章 熱電偶傳感器習題答案
1．什么是金屬導體的熱電效應?試說明熱電偶的測溫原理。
答：熱電效應就是兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應進行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接進儀表，就能測量溫度。
2．試分析金屬導體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。
答：當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。現(xiàn)假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷，于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體B到導體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0中(t> t0)。在導體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也達到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。
3．簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。
答：一是勻質(zhì)導體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。
二是中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。
三是標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。
四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據(jù)。
4．試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N主要方法和補償原理。
答：熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤ā＿@種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補償導線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實質(zhì)是相當于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的；三是計算修正法。修正公式為：
四是電橋補償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補償熱EAB(t,t0)?EAB(t,t1)?EAB(t1,t0)；
電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化，工作原理如下圖所示。
t圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，U為回路的輸出電壓�；芈分写恿艘粋�補償電橋。R1~R5及RCM均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1~R5均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設計時，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認為其具有恒流特性。線路設計使得I1=I2=I/2=0.5mA。
回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動勢e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R5的壓降UR5三者的代數(shù)和：
U?e?URCM-UR5
當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電動http://www.szmdbiao.com/news/55A87A8D814E41AC.html勢將會減小。與此同時，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達到了補償?shù)哪康摹?/p>
自動補償?shù)臈l件應為
?e?I1RCM??t
5．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為40℃，用高精度毫伏表測得這時的熱電動勢為29.188mV，求被測點的溫度。
解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出
E(t,0)?(29.188?1.638)mV?30.826mV
再通過分度表查出其對應的實際溫度為
t?700?(30.826-29.129)?100?740.9℃ 33.275?29.129
6．已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t0＝25℃，現(xiàn)測得熱電動勢E(t，t0)＝11.712mV，求熱端溫度是多少度?
解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根據(jù)式(5-2-1)計算出
E(t,0)?(11.712?0.161)mV?11.873mV
再通過分度表查出其對應的實際溫度為
t?1200?(11.873-11.851)?100?1216.8℃ 13.159?11.851
7．已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t＝800℃，冷端溫度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?
解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV
8．現(xiàn)用一支鎳鉻-康銅(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30℃，動圈顯示儀表(機械零位在0℃)指示值為400℃，則認為熱端實際溫度為430℃，對不對?為什么?正確值是多少? 解：不對，因為儀表的機械零位在0℃，正確值為400℃。
9．如圖5.14所示之測溫回路，熱電偶的分度號為K，毫伏表的示值應為多少度? 答：毫伏表的示值應為(t1-t2-60)℃。
10．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖5.15所示，已知：冷端溫度固定在0℃，t0＝30℃，儀表指示溫度為210℃，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補償導線A?和B?，相互接錯了，問：爐溫的實際溫度t為多少度?
解：實際溫度應為270℃，因為接反后不但沒有補償?shù)�，還抵消了30℃，故應該加上60℃。
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圖5.14 圖5.15
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