热电偶传感器习题

第5章 热电偶传感器习题答案

1．什么是金属导体的热电效应?试说明热电偶的测温原理。

答：热电效应就是两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中就会产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。热电偶测温就是利用这种热电效应进行的，将热电偶的热端插入被测物，冷端接进仪表，就能测量温度。

2．试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。

答：当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t> t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。

3．简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。

答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。

二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。

四是中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。

4．试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。

答：热电偶冷端温度补偿的方法主要有：一是冷端恒温法。这种方法将热电偶的冷端放在恒温场合，有0℃恒温器和其他恒温器两种；二是补偿导线法。将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的；三是计算修正法。修正公式为：

四是电桥补偿法。利用不平衡电桥产生的电动势补偿热EAB(t,t0)EAB(t,t1)EAB(t1,t0)；

电偶因冷端波动引起的热电动势的变化，工作原理如下图所示。

t图中，e为热电偶产生的热电动势，U为回路的输出电压。回路中串接了一个补偿电桥。R1~R5及RCM均为桥臂电阻。RCM是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。R1~R5均用锰铜丝绕成，阻值稳定。在桥路设计时，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比桥路中其他电阻大得多。这样，即使电桥中其他电阻的阻值发生变化，左右两桥臂中的电流却差不多保持不变，从而认为其具有恒流特性。线路设计使得I1=I2=I/2=0.5mA。

回路输出电压U为热电偶的热电动势e、桥臂电阻RCM的压降URCM及另一桥臂电阻R5的压降UR5三者的代数和：

UeURCM-UR5

当热电偶的热端温度一定，冷端温度升高时，热电动势将会减小。与此同时，铜电阻RCM的阻值将增大，从而使URCM增大，由此达到了补偿的目的。

自动补偿的条件应为

eI1RCMt

5．用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点的温度。

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，根据式(5-2-1)计算出

E(t,0)(29.1881.638)mV30.826mV

再通过分度表查出其对应的实际温度为

t700(30.826-29.129)100740.9℃ 33.27529.129

6．已知铂铑10-铂(S)热电偶的冷端温度t0＝25℃，现测得热电动势E(t，t0)＝11.712mV，求热端温度是多少度?

解：由铂铑10-铂热电偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根据式(5-2-1)计算出

E(t,0)(11.7120.161)mV11.873mV

再通过分度表查出其对应的实际温度为

t1200(11.873-11.851)1001216.8℃ 13.15911.851

7．已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV

8．现用一支镍铬-康铜(E)热电偶测温。其冷端温度为30℃，动圈显示仪表(机械零位在0℃)指示值为400℃，则认为热端实际温度为430℃，对不对?为什么?正确值是多少? 解：不对，因为仪表的机械零位在0℃，正确值为400℃。

9．如图5.14所示之测温回路，热电偶的分度号为K，毫伏表的示值应为多少度? 答：毫伏表的示值应为(t1-t2-60)℃。

10．用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图5.15所示，已知：冷端温度固定在0℃，t0＝30℃，仪表指示温度为210℃，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线A和B，相互接错了，问：炉温的实际温度t为多少度?

解：实际温度应为270℃，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了30℃，故应该加上60℃。

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图5.14 图5.15