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熱電偶傳感器習(xí)題
第5章 熱電偶傳感器習(xí)題答案
1．什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說(shuō)明熱電偶的測(cè)溫原理。
答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶測(cè)溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測(cè)物，冷端接進(jìn)儀表，就能測(cè)量溫度。
2．試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)的原因。
答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，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(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣�，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱(chēng)為接觸電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t、t0中(t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。
3．簡(jiǎn)述熱電偶的幾個(gè)重要定律，并分別說(shuō)明它們的實(shí)用價(jià)值。
答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)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(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類(lèi)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(jìn)行溫度測(cè)量。
三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來(lái)。
四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。
4．試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。
答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤�。這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場(chǎng)合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補(bǔ)償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的；三是計(jì)算修正法。修正公式為：
四是電橋補(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償熱EAB(t,t0)?EAB(t,t1)?EAB(t1,t0)；
電偶因冷端波動(dòng)引起的熱電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)，U為回路的輸出電壓。回路中串接了一個(gè)補(bǔ)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(shè)計(jì)時(shí)，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(rèn)為其具有恒流特性。線路設(shè)計(jì)使得I1=I2=I/2=0.5mA。
回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)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(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時(shí)，熱電動(dòng)http://www.msguai.com/news/55A87A8D814E41AC.html勢(shì)將會(huì)減小。與此同時(shí)，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>
自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件應(yīng)為
?e?I1RCM??t
5．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量溫度，已知冷端溫度為40℃，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為29.188mV，求被測(cè)點(diǎn)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(jì)算出
E(t,0)?(29.188?1.638)mV?30.826mV
再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)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(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)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(jì)算出
E(t,0)?(11.712?0.161)mV?11.873mV
再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)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(cè)溫。其冷端溫度為30℃，動(dòng)圈顯示儀表(機(jī)械零位在0℃)指示值為400℃，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為430℃，對(duì)不對(duì)?為什么?正確值是多少? 解：不對(duì)，因?yàn)閮x表的機(jī)械零位在0℃，正確值為400℃。
9．如圖5.14所示之測(cè)溫回路，熱電偶的分度號(hào)為K，毫伏表的示值應(yīng)為多少度? 答：毫伏表的示值應(yīng)為(t1-t2-60)℃。
10．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量某爐溫的測(cè)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(lái)發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線A?和B?，相互接錯(cuò)了，問(wèn)：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度?
解：實(shí)際溫度應(yīng)為270℃，因?yàn)榻臃春蟛坏珱](méi)有補(bǔ)償?shù)�，還抵消了30℃，故應(yīng)該加上60℃。
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圖5.14 圖5.15
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