傳感器與自動檢測技術習題解答(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨 溫度變化而變化的原理測溫的。 特點： 主要用于遠距離設備的氣體、液體、蒸汽的溫度測量，也能用于溫度控制和有爆炸危險場所的溫度測量。 3. 電阻式溫度傳感器的工作原理是什么？有幾種類型？ 答： 電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測量溫度 的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現象稱為熱電阻效應。 類型 ： 按制造材料來分，一般把由金屬導體鉑、銅、鎳等制成的測溫元件稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻傳感器；把由半導體材料制成的測溫元件稱為熱敏電阻。 4. 金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種？各有 何特點？熱電阻傳感器的測量電路有哪些？說明每種測量電路的特點。 答： 金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有 鉑和銅。 特點 ：鉑 金屬熱電阻 ： 鉑易于提純、復制性好，在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理化學性 質極其穩定，主要用于高精度溫度測量和標準測溫裝置，測溫范圍為 200～ 850℃。 銅 金屬熱電阻 ： 銅易于提純，價格低廉，電阻 溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細而且長，機械強度較差，熱慣性較大，在溫度高于 100℃以上或腐蝕性介質中使用時，易氧化，穩定性較差。因此，只能用于低溫及無腐蝕性 的介質中。 熱電阻傳感器的測量電路常用電橋電路 。 外界引線如果較長時，引線電阻的變化會使測量結果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測量電路或四線制恒流源測量電路。 特點 ： 三線制電橋連接法測量電路 ， 導線電阻 r 對測量毫無影響。 四線制恒流源測量電路 ， 四根導線的電阻 r 對測量都沒影響。但要因為電流流過導體時導體存在發熱現象，所以供電電流不宜過大，一般在 以下。精確測量時，通電電流為 。 5. 熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么？熱電勢的組成有幾種？說明熱電勢產生的過程，并寫出熱電偶回路中總熱電勢 的表達式。 13 答： 熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應 。即 兩種不同材料的導體 A 和 B 組成一個閉和回路，若兩接點的溫度不同，則在該回路中將會產生電動勢，兩個接點的溫差越大，所產生的電動勢也越大。組成回路的導體材料不同，所產生的電動勢也不一樣 ， 這種現象稱為熱電效應。 熱電勢的組成 ： 由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成。 熱電勢產生的過程 ： （ 1）兩種導體的接觸電勢 接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子濃度不同而在接觸面形成的電勢。假設兩種金屬 A、 B的自由電子濃度分別為 NA 和 NB，且 NA＞ NB。當兩種金 屬相接時，將產生自由電子的擴散現象。在同一瞬間，由 A 擴散到 B 中去的電子比由 B 擴散到 A 中去的多，從而使金屬 A 失去電子帶正電；金屬 B 得到電子帶負電，在接觸面形成電場。此電場阻止電子進一步擴散，當達到動態平衡時，在接觸面的兩側就形成了穩定的電位差，即接觸電勢 E，如圖 322 所示。接觸電勢的數值取決于兩種導體的性質和接觸點的溫度，而與導體的形狀及尺寸無關。溫度越高，接觸電勢也越大。接觸電勢的方向由兩導體材料決定。 （ 2） 單一導體的溫差電勢 對于單一導體，如果兩端溫度分別為 t、 t0，如圖 323 所示，則導體中的自由 電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散；高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負電，即在導體兩端產生了電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。 由圖 324 可知，熱電偶回路中產生的總熱電勢為 0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )A B A B B A B AE t t e t e t t e t e t t? ? ? ? （ 35） 圖 324 熱電偶回路總熱電勢 NA＞ NB 圖 322 兩種導體的接觸電勢 圖 323 單一導體 的溫差電動勢 14 式中 , 0(, )ABE tt 為熱電偶電路的總熱電勢； ()ABet為熱端接觸電勢； 0(, )Be tt 為 B 導體的溫差電勢； 0()ABet為冷端接觸電勢； 0(, )Ae tt 為 A 導體的溫差電勢。 在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為 （ 36） 6. 熱電偶的基本定律有哪些？其含義是什么？每種定律的意義何在？并證明每種定律。 答： 熱 電偶的基本定律有 : 中間導體定律、中間溫度定律、參考電極定律 。 含義 ： 中間導體定律 在熱電偶電路中接入第三種導體，只要保持該導體兩接入點的溫度相等，回路中總的熱電勢不變，即第三種導體的引入對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。 中間導體定律的意義： 根據這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，可以將熱電勢通過導線接至測量儀表進行測量 ,且不影響測量精度。可采用開路熱電偶對液態金屬和金屬壁面進行溫度測量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。 中間溫度定律 含義 ： 在熱電偶測量電路中，測量端溫度為 t，自由端為 t0，中間溫 度為 t′，則 E（ t、 t0）的熱電勢等于 E（ t、 t′）與 E（ t′、 t0）熱電勢代數和。即 中間溫度定律的意義： 利用該定律，可對參考端溫度不為 0℃的熱電勢進行修正。另外，可以選用廉價的熱電偶 A′、 B′代替 t′到 t0 段的熱電偶 A、 B，只要在 t′、 t0 溫度范圍內 A′、 B′與 A、 B 熱電偶具有相近的熱電勢特性，便可將熱電偶冷端延長到溫度恒定的地方再進行測量，使測量距離加長，還可以降低測量成本，而且不受原熱電偶自由端溫度 t′的影響。這就是在實際測量中，對冷端溫度進行修正，運用補償導線延長測溫距離，消除熱電偶自由端溫 度變化影響的道理。 參考電極定律 含義 ： 已知熱電極 A,B 與參考電極 C 組成的熱電偶在接點溫度為（ t， t0）時的熱電勢分別為 、 ，則相同溫度下，由 A， B兩種熱電極配對后的熱電勢 可按 下 式計算為： 參考電極定律的意義：參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關電極與參考電極配對的熱電勢 ，那么任何兩種電極配對后的熱電勢均可利用該定理計算，而不需要逐個進行測定。由于純鉑絲的物理化學性能穩定，熔點較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標準電極。 7. 熱電偶的性質有哪些？ 答： （ 1）當兩熱電極材料相同時，不論接點溫度相同與否，回路總熱電勢均為零。 （ 2）當熱電偶兩個接點溫度相同時，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢均為零。 （ 3）只有當電極材料不同，兩接點溫度不同時，熱電偶回路才有熱電勢。當電極材料選定后，兩00( , ) ( ) ( )A B A B A BE t t e t e t??00( , ) ( , ) ( , )A B A B A BE t t E t t E t t????0 0 0( , ) ( , ) ( , )A B A C B CE t t E t t E t t??0( , )ACE t t 0( , )BCE t t 0(, )ABE tt 15 接點的溫差越大，熱電勢也就越大。 （ 4）回路中熱電勢的方向取決于熱端的接觸電勢方向或回路電流流 過冷端的方向。 8. 為什么要對熱電偶進行冷端溫度補償？常用的補償方法有幾種？補償導線的作用是什么？連接補償導線要注意什么？ 答： 由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為 0℃時測得的，如果冷端溫度不為零，測得的熱電勢就不能直接去查相應的分度表。另外，根據熱電偶的測溫原理，熱電偶回路的熱電勢只與冷端和熱端的溫度有關，當冷端溫度保持不變時，熱電勢才與測量端溫度成單值對應關系。但在實際測量時，冷端溫度常隨環境溫度變化而變化， 0t 不能保持恒定，因而會產生測量誤差。為了消除測量誤差 ，要對熱電偶進行冷端溫度補償 。 常采 補償方法： 0℃冷端恒溫法、冷端恒溫法、補償導線法（延引電極法）、電橋補償法 。 補償導線的作用： 補償導線僅起延長熱電極的作用， 它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響， 不起任何溫度補償作用。但由于補償導線比熱電偶便宜，節約了測量經費。 連接補償導線必須注意兩個問題：①兩根補償導線與熱電偶相連的接點溫度必須相同；②不同的熱電偶要與其型號相應的補償導線配套使用，且必須在規定的溫度范圍內使用，極性不能接反。 9. 熱電偶測溫線路有幾種？試畫出每種測溫電路原理圖，并寫出熱電勢表達式。 答：測溫某一點溫度、測量兩點間溫差電路、測量多點溫度之和電路、測量幾點的平均溫度、 多點溫度測量線路。 測溫電路原理圖 ： 圖 337 熱電偶測量某一點溫度 圖 338 熱電偶測量兩點溫差 0( , )ABE E t t? 1 0 2 0 1 2( , ) ( , ) ( ) ( )A B A B A B A BE E t t E t t e t e t? ? ? ? 16 10. 如圖 353 所示，用 K 型（鎳鉻 鎳硅）熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度， A′ 、 B′為補償導線， Cu 為銅導線。已知 1 40Ct ??， 2 0Ct ?? ， 3 20Ct ??。 （ 1） 當儀表指示為 時，計算被 測點溫度 t = ? （ 2） 如果將 A′ 、 B′ 換成銅導線，此時 儀表指示為 ，再求被測點溫度 t = ? （ 3） 將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被測液體不是金屬，還能用此方法測量嗎？為什么？ 答： （ 1）當 A′ 、 B′ 為補償導線， Cu 為銅導線 時 。 熱電偶的冷端溫度為 t2=℃， 此時 儀表的 指示 即 為 熱端溫度 t 相對于 ℃ 熱電勢 ， 即 ( , 0 ) 3 9 .3 1 4ABE E t m V??,查分度表可得 被測點溫度 t ≈ 950℃ 。 （ 2） 如果將 A′ 、 B′ 換成銅導線，此時 熱電偶的冷 端溫度即變為 t1=40℃ ，此時儀表的指示為圖 353 熱電偶測量 煉鋼爐熔融金屬某一點溫度 圖 339 測量兩點溫度之和 圖 340 測量兩點平均溫度 圖 341 一臺儀 表分別測量多點溫度 1 0 2 0( , ) ( ,A B A BE E t t E t t?? ）1 0 2 0( , ) ( ,2AB ABE t t E t tE ?? ） 17 ( , 4 0 ) 3 7 .7 0 2ABE E t m V??，根據中間溫度定律即可求得測量端相對于 0℃ 的熱電勢： ( , 0 ) ( , 4 0 ) ( 4 0 , 0 ) 3 7 . 7 0 2 1 . 6 1 1 3 9 . 3 1 3A B A B A BE t E t E m V? ? ? ? ?，查分度表可得 被測點溫度 t ≈ 950℃ 。 （ 3） 將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的 中間導體定 律 ，如果被測液體不是金屬， 就不 能用此方法 來 測量？ 因為不滿足熱電偶的基本定律要求。 11. 用兩只 K 型熱電偶測量兩點溫差 ，如圖 338 所示。 已知 1 980 Ct ??， 2 510 Ct ??， 0 20Ct ??，試求 12tt、 兩點的溫差。 答： 根據 熱電偶測量兩點溫差 的電路可知儀表的指示為： 查分度表可知 12 t C?? 12. 試分析 圖 347 所 示集成溫度傳感器 AD590 用于熱電偶參考端溫度補償電路的工作原理。 答： 由圖 347 所示， AD590 與熱電偶參考端處于同一溫度下。 AD580 是一個三端穩壓器，其輸出電壓 Uo = 。電路工作時，調整電阻 R2使得I1 = t0x103mA，這樣在電阻 R1上 便 產生一個隨參考端溫度 t0 變化的補償電壓 U1 =I1 * R1。若熱電偶參考端溫度為 t0， 工作 時應使 U1≈ EAB（ t0， 0℃）。這樣就能自動補償由于冷端溫度變化帶來的測量誤差。 不同分度號的熱電偶， R1的阻值亦不同。這種 補償電路靈敏、準確、可靠、調整方便。 13. 輻射式溫度傳感器的工作原理是什么？有何特點？ 答： 輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測溫方法，只要將傳感器與被測對象對準即可 測量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點： 1）傳感器與被測對象不接觸，不會干擾被測對象的溫度場，故可測量運動物體的溫度，且可進行遙測。 Cu U3 t A BA A′ B′ 接線盒 1 t1 接線盒 2 t2 接線盒 3 t3 Cu O O O O O O 圖 338熱 電偶測量兩點溫差 1 0 2 0 1 2( , ) ( , ) ( ) ( )= 4 0 . 4 8 8 2 1 . 0 6 6= 1 9