PAGE1PAGE1《自動檢測與轉換技術》（“十四五”職業教育國家規劃教材）統一書號：ISBN978-7-111-62119-5第九章熱電偶傳感器思考題與練習題分析說明：填空中的“紅色文字”以及分析題中的“提示”并不等于就是答案，只是給出了怎樣解題的思路和分析方法，給讀者一點啟發。作者還在有關題目中，增加了一些新的技術和應用型知識。限于篇幅的限制，有的傳感器的內容無法在本教材正文中展開來講的，現在有了這個“思考題與習題分析”，就可以在此展開介紹，希望對讀者有一點幫助。部分分析采用口語化的型式，希望能夠提高讀者的興趣。所展開的知識可能有一部分超過本教材的深度，讀者可以上網對照理解和提高。希望讀者看完本分析之后，就其中的疑難、錯誤等問題，來信與作者進行探討，郵箱為liangsen2@126.com，上海電機學院的梁森老師以及作者團隊會認真與大家交流。謝謝大家。1．單項選擇題1）兩端密閉的彈簧管（又稱波登管，見圖1-7）中的氣體溫度升高后，氣體對容器內壁的壓強隨之增大，彈簧管的截面趨向于圓形，截面的短軸力圖伸長，長軸縮短。截面形狀的改變導致彈簧管趨向伸直，一直到與壓力的作用相平衡為止使彈簧管撐直，從而可用于測量溫度。從微觀上分析，彈簧管內部壓強隨溫度增大的原因是____穩定的化學結構的氣體分子，它的直徑也是穩定的___。A．氣體分子的無規則運動加劇，撞擊容器內壁的能量增大B．氣體分子的直徑增大C．氣體分子之間的排斥力增大D．氣體分子對容器壁的碰撞后的動量總和減小圖1-7電位器式壓力傳感器示意圖1－彈簧管（敏感元件）2－電位器（傳感元件、測量轉換電路）3－電刷4－傳動機構（齒輪-齒條）2）正常人的體溫為37℃，則此時的華氏溫度約為__(9/5)×37+32____，熱力學溫度約為___加上273A．32F，100KB．99F，236KC．99F，310KD．37F，310K3）__溫度差值___的數值越大，熱電偶的輸出熱電動勢就越大。A．熱端直徑B．熱端和冷端的溫度C．熱端和冷端的溫差D．熱電極的電導率4）測量鋼水的溫度，最好選擇___上網查鋼的熔點___熱電偶；測量鋼退火爐的溫度，最好選擇___小于900℃___熱電偶；測量汽輪機高壓蒸氣（200℃左右）的溫度，且希望靈敏度高一些，選擇___查表9-2A．RB．BC．SD．KE．E5）測量CPU散熱片的溫度應選用____很薄的__型的熱電偶；測量鍋爐煙道中的煙氣溫度，應選用___工業中常用的___型的熱電偶；測量100m深的巖石鉆孔中的溫度，應選用___很長的___型的熱電偶。A．普通B.鎧裝C．薄膜D．熱電堆6）鎳鉻-鎳硅熱電偶的分度號為___查表9-2___，鉑銠13-鉑熱電偶的分度號是___查表9-2___，鉑銠30-鉑銠6熱電偶的分度號是___表9-2中最高的___。A．RB．BC．SD．KE．E7）在熱電偶測溫回路中經常使用補償導線的最主要的目的是___“補償”這個名詞用在補償導線上是名不副實的___。A．補償熱電偶冷端熱電動勢的損失B．起冷端溫度補償作用C．將熱電偶冷端延長到遠離高溫區的地方D．提高靈敏度8）在圖9-9中，熱電偶新的冷端在___A'、B'與兩根銅導線接線盒的位置___。A．溫度為t處B．溫度為tn處C．溫度為t0處D．毫伏表接線端子上9）在實驗室中測量金屬的熔點時，冷端溫度補償采用___實驗室的條件允許……___，可減小測量誤差；而在車間，用帶微處理器的數字式測溫儀表測量爐膛的溫度時，應采用___帶微處理器的數字式儀表的特點是：有很強的計算能力所以……___較為妥當。A．計算修正法B．儀表機械零點調整法C．冰浴法D．冷端補償器法（電橋補償法）2．在煉鋼廠中，有時直接將廉價熱電極（易耗品，例如鎳鉻、鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化）插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖9-15所示。試說明圖9-15用浸入式熱電偶測量熔融金屬示意圖1－鋼水包2－鋼熔融體3－熱電極A、B4－熱電極接線柱5－補償導線6－保護管7－補償導線與毫伏表的接線柱8－毫伏表1）為什么不必將工作端焊在一起？2）要滿足哪些條件才不影響測量準確度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？3）如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？提示：1）為什么不必將工作端焊在一起：要從被測對象的特性來考慮……2）要滿足哪些條件才不影響測量準確度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律：中間導體定律？中間溫度定律？3）如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？要從塑料的特性來考慮……3．用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫度，已知冷端溫度t0為0℃，用高準確度毫伏表測得這時的熱電動勢為30.798mV，求被測點溫度。提示：由于冷端溫度t0為0℃，就可以直接用30.798mV來“倒查”附錄E熱電偶分度表，得到被測點溫度為……4．圖9-16所示為鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫電路，熱電極A、B直接焊接在鋼板上（V型焊接），A'、B'為補償導線，Cu為銅導線，已知接線盒1的溫度t1=40.0℃，冰水溫度t2=0.0℃，接線盒2的溫度t3=圖9-16采用補償導線的鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫示意圖1）當Ux=39.314mV時，計算被測點溫度tx。2）如果A＇、B＇換成銅導線，此時Ux=37.702mV，再用計算修正法求tx。3）直接將熱電極A、B焊接在鋼板上時，tx與tx＇哪一個略大一些？為什么？如何減小這一誤差？1）當Ux=39.314mV時，計算被測點溫度tx：提示：根據圖9-16，由于熱電偶的末端（A、B）與補充導線（A＇、B＇）相連接，所以熱電偶的冷端被延長到補償導線的末端，新的冷端在“冰瓶”的位置。由于冰瓶的溫度為0℃，所以可直接查附錄E，得到被測點溫度t=……2）如果A＇、B＇換成銅導線，此時Ux=37.702mV，再用計算修正法求tx：提示：如果A＇、B＇換成銅導線，熱電偶的冷端就不在冰瓶的位置，而只是在熱電偶與銅線的連接處（“接線盒1”的位置）。由于熱電偶的冷端不為0℃，那么就不能直接查附錄E，而要按照式（9-3）來計算并補償冷端不為0℃EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0上式中，EAB(t,t0)是用毫伏表直接測得的熱電動勢（毫伏數）大小。本題中，EAB(t,t0)≈Ux=37.702mV。EAB(t,t0)是熱電動勢，是理論值；Ux是實測的熱電偶輸出電壓。EAB(t,t0)略小于Ux。修正的步驟：先測出冷端溫度t0。本題中，冷端溫度t0就是接線盒1的溫度，（已知t1=40.0℃）。②然后從該熱電偶分度表中查出EAB(t0,0℃)（此值相當于損失掉的熱電動勢），本題中，EAB(40C,0℃)=③把EAB(t0,0℃)加到所測得的EAB(t,t0)上。EAB(t,t0)≈Ux④根據式（9-3）求出EAB(t0,0℃)=37.702mV+1.612mV=39.314mV（此值是已得到補償的熱電動勢，冷端接線盒的溫度高于0C，⑤根據EAB(t0,0℃)，再在分度表中查出相應的溫度值t=？？？℃⑥補償的結果，被測溫度與第一小題的結果完全相等。這是因為：被測溫度是客觀存在的，不管如何接線，都不可能影響客觀存在的事實。如果計算結果不一致，就說明接線的方法不對或者是計算方法不對。⑦計算修正法共需要查分度表兩次。如果冷端接線盒的溫度低于0C，由于查出的EAB(t0,0℃計算修正法適用于熱電偶冷端溫度較恒定的情況。在智能化儀表中，查表及運算過程均可由計算機完成。3）直接將熱電極A、B焊接在鋼板上時，tx與tx＇哪一個略大一些？為什么？如何減小這一誤差？直接將熱電極A、B焊接在鋼板上時，由于鋼板外表面有散熱現象，所以外表面的溫度會略低于鋼板的溫度。應該在鋼板的表面敷設保溫層，例如“石棉”、“硅酸鋁纖維棉”等。5．圖9-17為利用XMT型儀表（見圖9-11b的接線說明）組成的熱電偶測溫、控溫電路。請正確連線。圖9-17利用XMT型儀表組成熱電偶測溫、控溫電路（直接在上圖中連線）圖9-01利用XMT型儀表組成熱電偶測溫、控溫電路的實物接線示意圖6．請到商店觀察符合國家標準的煤氣灶，再上網查閱有關資料，說明煤氣灶熄火保護裝置的基本工作原理。提示：煤氣灶的熄火保護裝置用于因各種因數導致火焰意外熄滅（例如沒有“點著”煤氣或者燒稀飯、面條溢出而澆滅火焰）燃氣通道被自動切斷，防止煤氣逸出而造成火災、人身安全事故。常見的煤氣灶具有兩種熄火保護方式：一種是離子感應針式，一種是熱電偶式。1）感應針式工作原理：感應針檢測煤氣火焰中的離子，產生微弱電流，通過單片機驅動電磁閥。如果火焰意外熄滅，就能快速使電磁閥失電，從而切斷煤氣。感應針式煤氣灶熄火保護工作過程是：①使用者用力向內按入煤氣開關，并將它逆時針旋轉；②電磁閥的磁鐵被人為按到銜鐵上，燃氣通過電磁閥到達噴口；③點火電路產生斷續的電火花，煤氣被點燃；火焰“舔到了”離子感應針，離子針、火焰、燃氣灶殼體之間形成一個單向導電回路（與二極管類似）。④由干電池逆變產生的交流激勵電壓被感應針所整流，因此在濾波電容兩端產生直流電壓，施加到煤氣灶內面的單片機輸入端（高電平）；⑤單片機產生大約5mA的電流，電流流經電磁閥，使電磁閥保持吸合；⑥使用者的手離開煤氣灶的開關，電磁閥的銜鐵依然被吸在磁鐵上；⑦當煤氣灶意外熄火的時候，單片機輸入端的電壓為低電平，單片機使電磁閥失電。為了防止大風造成偏焰（假熄火），單片機開始從6s倒計時。如果時間歸零，火焰仍未燒到離子感應針，單片機即判斷此時已經熄火，使電磁閥的端電壓為零，同時產生報警聲音，通知使用者。2）熱電偶式煤氣灶熄火保護工作原理：熱電偶被火焰所加熱，產生微弱的熱電動勢，使電磁閥保持吸合狀態（點火時仍需要人工將磁鐵按到銜鐵上）。一旦遇到大風或湯水等溢出，撲滅了火焰，熱電偶感受到的溫度下降，降到一定程度時，熱電偶產生的電壓不能維持電磁閥繼續吸