【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(cè)溫的。 特點(diǎn)： 主要用于遠(yuǎn)距離設(shè)備的氣體、液體、蒸汽的溫度測(cè)量，也能用于溫度控制和有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度測(cè)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(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量溫度 的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。 類型 ： 按制造材料來(lái)分，一般把由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測(cè)溫元件稱為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱熱電阻傳感器；把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)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(diǎn)？熱電阻傳感器的測(cè)量電路有哪些？說(shuō)明每種測(cè)量電路的特點(diǎn)。 答： 金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有 鉑和銅。 特點(diǎn) ：鉑 金屬熱電阻 ： 鉑易于提純、復(fù)制性好，在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理化學(xué)性 質(zhì)極其穩(wěn)定，主要用于高精度溫度測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置，測(cè)溫范圍為 200～ 850℃。 銅 金屬熱電阻 ： 銅易于提純，價(jià)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(xì)而且長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于 100℃以上或腐蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無(wú)腐蝕性 的介質(zhì)中。 熱電阻傳感器的測(cè)量電路常用電橋電路 。 外界引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測(cè)量電路或四線制恒流源測(cè)量電路。 特點(diǎn) ： 三線制電橋連接法測(cè)量電路 ， 導(dǎo)線電阻 r 對(duì)測(cè)量毫無(wú)影響。 四線制恒流源測(cè)量電路 ， 四根導(dǎo)線的電阻 r 對(duì)測(cè)量都沒(méi)影響。但要因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體存在發(fā)熱現(xiàn)象，所以供電電流不宜過(guò)大，一般在 以下。精確測(cè)量時(shí)，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(shì)的組成有幾種？說(shuō)明熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程，并寫出熱電偶回路中總熱電勢(shì) 的表達(dá)式。 13 答： 熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應(yīng) 。即 兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 組成一個(gè)閉和回路，若兩接點(diǎn)的溫度不同，則在該回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)接點(diǎn)的溫差越大，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也越大。組成回路的導(dǎo)體材料不同，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也不一樣 ， 這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 熱電勢(shì)的組成 ： 由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。 熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程 ： （ 1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì) 接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子濃度不同而在接觸面形成的電勢(shì)。假設(shè)兩種金屬 A、 B的自由電子濃度分別為 NA 和 NB，且 NA＞ NB。當(dāng)兩種金 屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。在同一瞬間，由 A 擴(kuò)散到 B 中去的電子比由 B 擴(kuò)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(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。此電場(chǎng)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成了穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì) E，如圖 322 所示。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)也越大。接觸電勢(shì)的方向由兩導(dǎo)體材料決定。 （ 2） 單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì) 對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為 t、 t0，如圖 323 所示，則導(dǎo)體中的自由 電子，在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散；高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，即在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。 由圖 324 可知，熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)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(shì) NA＞ NB 圖 322 兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì) 圖 323 單一導(dǎo)體 的溫差電動(dòng)勢(shì) 14 式中 , 0(, )ABE tt 為熱電偶電路的總熱電勢(shì)； ()ABet為熱端接觸電勢(shì)； 0(, )Be tt 為 B 導(dǎo)體的溫差電勢(shì)； 0()ABet為冷端接觸電勢(shì)； 0(, )Ae tt 為 A 導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。 在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)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(dǎo)體定律、中間溫度定律、參考電極定律 。 含義 ： 中間導(dǎo)體定律 在熱電偶電路中接入第三種導(dǎo)體，只要保持該導(dǎo)體兩接入點(diǎn)的溫度相等，回路中總的熱電勢(shì)不變，即第三種導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。 中間導(dǎo)體定律的意義： 根據(jù)這個(gè)定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，可以將熱電勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量 ,且不影響測(cè)量精度?？刹捎瞄_(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)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(cè)量電路中，測(cè)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(shì)等于 E（ t、 t′）與 E（ t′、 t0）熱電勢(shì)代數(shù)和。即 中間溫度定律的意義： 利用該定律，可對(duì)參考端溫度不為 0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外，可以選用廉價(jià)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(nèi) A′、 B′與 A、 B 熱電偶具有相近的熱電勢(shì)特性，便可將熱電偶冷端延長(zhǎng)到溫度恒定的地方再進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量距離加長(zhǎng)，還可以降低測(cè)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(shí)際測(cè)量中，對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)測(cè)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(diǎn)溫度為（ t， t0）時(shí)的熱電勢(shì)分別為 、 ，則相同溫度下，由 A， B兩種熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì) 可按 下 式計(jì)算為： 參考電極定律的意義：參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)電極與參考電極配對(duì)的熱電勢(shì) ，那么任何兩種電極配對(duì)后的熱電勢(shì)均可利用該定理計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。 7. 熱電偶的性質(zhì)有哪些？ 答： （ 1）當(dāng)兩熱電極材料相同時(shí)，不論接點(diǎn)溫度相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。 （ 2）當(dāng)熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同時(shí)，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。 （ 3）只有當(dāng)電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，熱電偶回路才有熱電勢(shì)。當(dāng)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(diǎn)的溫差越大，熱電勢(shì)也就越大。 （ 4）回路中熱電勢(shì)的方向取決于熱端的接觸電勢(shì)方向或回路電流流 過(guò)冷端的方向。 8. 為什么要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？常用的補(bǔ)償方法有幾種？補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是什么？連接補(bǔ)償導(dǎo)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(shí)測(cè)得的，如果冷端溫度不為零，測(cè)得的熱電勢(shì)就不能直接去查相應(yīng)的分度表。另外，根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶回路的熱電勢(shì)只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才與測(cè)量端溫度成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化， 0t 不能保持恒定，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除測(cè)量誤差 ，要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償 。 常采 補(bǔ)償方法： 0℃冷端恒溫法、冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法（延引電極法）、電橋補(bǔ)償法 。 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用： 補(bǔ)償導(dǎo)線僅起延長(zhǎng)熱電極的作用， 它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響， 不起任何溫度補(bǔ)償作用。但由于補(bǔ)償導(dǎo)線比熱電偶便宜，節(jié)約了測(cè)量經(jīng)費(fèi)。 連接補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意兩個(gè)問(wèn)題：①兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連的接點(diǎn)溫度必須相同；②不同的熱電偶要與其型號(hào)相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線配套使用，且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，極性不能接反。 9. 熱電偶測(cè)溫線路有幾種？試畫出每種測(cè)溫電路原理圖，并寫出熱電勢(shì)表達(dá)式。 答：測(cè)溫某一點(diǎn)溫度、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差電路、測(cè)量多點(diǎn)溫度之和電路、測(cè)量幾點(diǎn)的平均溫度、 多點(diǎn)溫度測(cè)量線路。 測(cè)溫電路原理圖 ： 圖 337 熱電偶測(cè)量某一點(diǎn)溫度 圖 338 熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)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(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度， A′ 、 B′為補(bǔ)償導(dǎo)線， Cu 為銅導(dǎo)線。已知 1 40Ct ??， 2 0Ct ?? ， 3 20Ct ??。 （ 1） 當(dāng)儀表指示為 時(shí)，計(jì)算被 測(cè)點(diǎn)溫度 t = ? （ 2） 如果將 A′ 、 B′ 換成銅導(dǎo)線，此時(shí) 儀表指示為 ，再求被測(cè)點(diǎn)溫度 t = ? （ 3） 將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被測(cè)液體不是金屬，還能用此方法測(cè)量嗎？為什么？ 答： （ 1）當(dāng) A′ 、 B′ 為補(bǔ)償導(dǎo)線， Cu 為銅導(dǎo)線 時(shí) 。 熱電偶的冷端溫度為 t2=℃， 此時(shí) 儀表的 指示 即 為 熱端溫度 t 相對(duì)于 ℃ 熱電勢(shì) ， 即 ( , 0 ) 3 9 .3 1 4ABE E t m V??,查分度表可得 被測(cè)點(diǎn)溫度 t ≈ 950℃ 。 （ 2） 如果將 A′ 、 B′ 換成銅導(dǎo)線，此時(shí) 熱電偶的冷 端溫度即變?yōu)?t1=40℃ ，此時(shí)儀表的指示為圖 353 熱電偶測(cè)量 煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度 圖 339 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度之和 圖 340 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)平均溫度 圖 341 一臺(tái)儀 表分別測(cè)量多點(diǎn)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(jù)中間溫度定律即可求得測(cè)量端相對(duì)于 0℃ 的熱電勢(shì)： ( , 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(cè)點(diǎn)溫度 t ≈ 950℃ 。 （ 3） 將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的 中間導(dǎo)體定 律 ，如果被測(cè)液體不是金屬， 就不 能用此方法 來(lái) 測(cè)量？ 因?yàn)椴粷M足熱電偶的基本定律要求。 11. 用兩只 K 型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差 ，如圖 338 所示。 已知 1 980 Ct ??， 2 510 Ct ??， 0 20Ct ??，試求 12tt、 兩點(diǎn)的溫差。 答： 根據(jù) 熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)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(bǔ)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(gè)三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓 Uo = 。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻 R2使得I1 = t0x103mA，這樣在電阻 R1上 便 產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度 t0 變化的補(bǔ)償電壓 U1 =I1 * R1。若熱電偶參考端溫度為 t0， 工作 時(shí)應(yīng)使 U1≈ EAB（ t0， 0℃）。這樣就能自動(dòng)補(bǔ)償由于冷端溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。 不同分度號(hào)的熱電偶， R1的阻值亦不同。這種 補(bǔ)償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便。 13. 輻射式溫度傳感器的工作原理是什么？有何特點(diǎn)？ 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(cè)溫方法，只要將傳感器與被測(cè)對(duì)象對(duì)準(zhǔn)即可 測(cè)量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點(diǎn)： 1）傳感器與被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且可進(jìn)行遙測(cè)。 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(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差 1 0 2 0 1 2( , ) ( , ) ( ) ( )= 4 0 . 4 8 8 2 1 . 0 6 6= 1 9