专题六 热电偶传感器（教案）-山东省职教高考《传感器及应用》（高教版）专题复习讲练测

专题六 热电偶传感器（教案）-《传感器及应用》高教版-专题复习讲练测 [考纲要求] 1.理解和描述热电势效应的物理原理，以及热电偶回路如何转化温度差为电信号。 2.解释这些定律的含义及其在测量中的应用，能够分析和补偿温度变化带来的影响。 3.描述热电偶的构成部分及其作用，区分不同类型的热电偶及其选择依据。 4.理解补偿原理，能够解释为什么需要进行自由端温度补偿及其实施方法。 5.掌握应用中的实际操作步骤和注意事项，能够分析测量中可能遇到的问题及解决方案。 [课时安排] 2课时 [知识梳理] 重点一 热电势效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。图3-1 所示为热电偶回路及符号。回路中，把 A、B 两导体的组合称为热电偶:A、B 两种导体称为热电极:两个接点中的1端称为工作端或热端，其温度为t，2 端称为自由端或冷端，其温度为t0。 热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电偶的热电动势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。接触电动势 (又称珀尔电动势) 是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势:温差电动势 (又称汤姆逊电动势) 是在同一导体中，由于两端温度不同而使导体内高温端的自由电子向低温端扩散形成的电动势。 重点二 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体 C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小，即 其中C导体两端温度相同。 从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶。同时，应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，如图3-2 所示。只要保证两热电极 A、B 插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。 重点三 热电偶的结构 普通型热电偶是工程实际中最常用的一种型式，其结构大多由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒四部分组成，如图 3-3所示。 (1)热电极 热电偶常以热电极材料种类来定名，例如铂钱-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶等。其直径大小由材料价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插人深度来决定。 (2) 绝缘套管 绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性能的要求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为 20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。 (3) 保护套管 保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据热电偶类型、测温范围和使用条件等因素来选择保护套管的材料。 (4) 接线盒 接线盒供连接热电偶和测量仪表之用。接线盒固定在热电偶的保护套管上一般用铝合金制成，分普通式和密封式两类，为防止灰尘、水分及有害气体侵入保护套管内，接线盒出线孔和盖子均用垫片及垫圈加以密封，接线端子上注明热电极的正、负极性。 重点四 补偿导线，延引电极 为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。所以人们往往采用在一定温度范围内 (0~100C)与工作热电偶的热电特性相近的材料制成导线，用它将热电偶的自由端延长至所需要的地方，这种方法称为延引电极法，或称为补偿导线法，这样的导线称为补偿导线。用补偿导线制成的热电偶与工作热电偶相连，它既可把工作热电偶的原自由端延长到新的自由端，节省了贵重金属，又不会由于引人该导线而给工作热电偶带来测量误差。可见，使用补偿导线仅起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，将其称为“补偿导线”是名不副实的习惯用语。常用热电偶补偿导线的特性见表 3-3。 使用补偿导线必须注意两个问题:一是两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度;二是各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用，极性切勿接反。 [真题练讲] 1.(2020年山东省统一考试) 热电偶的自由端温度补偿可以通过________电极实现。 A. 连接 B. 延引 C. 测量 D. 参考 答案：B. 延引 解析：延引电极用于减少环境温度变化对热电偶测量的影响，从而提高测量的准确性。 2.(2018年河南省统一考试)热电偶的测温线路中，通常采用哪种导线连接热电偶的两端？ A. 不同材质的导线 B. 相同材质的导线 C. 高阻抗导线 D. 绝缘导线 答案：B. 相同材质的导线 解析：为了确保测量准确性，热电偶测温线路通常使用相同材质的导线连接热电偶的两端。 3.(2019年湖南省统一考试)在测量热电偶热电动势时，通常需要校准的目的是： A. 增加热电势 B. 减少电流 C. 确保测量准确性 D. 降低噪声 答案：C. 确保测量准确性 解析：校准可以确保热电偶测量的准确性，使其符合实际温度测量的要求。 4.(2022年山东省统一考试)中间温度定律的核心内容是： A. 温度差影响热电势 B. 中间温度不影响热电势 C. 热电势与温度无关 D. 温度与导体材质有关 答案：B. 中间温度不影响热电势 解析：中间温度定律说明，只要中间导体的温度保持不变，其存在与否不会影响热电偶的热电势。 5.(2020年山东省统一考试)热电偶的测量范围广泛是由于其结构中： A. 传感器的材料种类多 B. 连接线的电阻小 C. 工作端材料的选择灵活 D. 冷端温度的变化 答案：A. 传感器的材料种类多 解析：热电偶使用的不同材料组合允许其适用于广泛的测量范围。 [限时练讲] 1.热电偶传感器的工作原理主要是基于以下哪种效应？ A. 皮尔效应 B. 杜尔效应 C. 塞贝克效应 D. 皮尔逊效应 答案：C. 塞贝克效应 解析：热电偶传感器的工作原理基于塞贝克效应，即不同金属的接触点在温度差下会产生电势差。 2.在热电偶回路中，以下哪条定律描述了中间导体对热电势的影响？ A. 标准电极定律 B. 中间温度定律 C. 中间导体定律 D. 塞贝克定律 答案：C. 中间导体定律 解析：中间导体定律描述了在热电偶回路中，任何中间导体的存在不会影响热电偶的热电势，只要它的温度是常数。 3.如果两个热电偶的工作端温度相同，则它们的热电势之比等于它们在参比端温度下的热电势之比，这条定律是： A. 中间温度定律 B. 标准电极定律 C. 中间导体定律 D. 塞贝克效应 答案：B. 标准电极定律 解析：标准电极定律说明了当工作端温度相同时，热电势与参比端的热电势之比保持不变。 4.热电偶的结构通常包括哪两个主要部分？ A. 电源和显示器 B. 传感器和连接线 C. 电流表和电阻器 D. 温度计和数据记录器 答案：B. 传感器和连接线 解析：热电偶的基本结构包括传感器部分和连接线部分，传感器用于测量温度，连接线用于传输信号。 5.以下哪种方法可以用于热电偶的温度补偿？ A. 增加工作端的电阻 B. 使用补偿导线 C. 使用加热器 D. 改变冷端的材料 答案：B. 使用补偿导线 解析：使用补偿导线可以有效补偿热电偶的自由端温度变化，从而提高测量的准确性。 6.热电偶的应用主要集中在： A. 化学反应监测 B. 高精度温度测量 C. 电流测量 D. 电压稳定 答案：B. 高精度温度测量 解析：热电偶广泛应用于高精度的温度测量，特别是在工业和科研领域。 7.在热电偶的测量线路中，使用哪种材料的导线可以减少温度补偿的误差？ A. 铜 B. 铝 C. 铂 D. 不锈钢 答案：C. 铂 解析：铂导线用于补偿和提高热电偶的测量精度，因为其热电性质稳定。 8.简述热电偶传感器的工作原理及其基本原理是什么？ 解析： 热电偶传感器利用热电效应原理工作，即不同金属导体在温度差异下产生电动势。通过测量这种电动势可以间接测量温度。 9.什么是热电偶回路中的中间导体定律？它为什么在测量中很重要？ 解析： 中间导体定律指出，热电偶回路中中间导体的温度变化会影响整体电动势，需要进行相应的补偿以确保准确测量。 10.描述热电偶的主要结构部分及其各自的作用。 解析： 热电偶主要由两种不同的金属导体、连接导线和可能的引出电极组成，其中金属导体产生热电动势，连接导线将信号传输至测量设备。 11.热电偶的种类及其适用场景有哪些？请举例说明。 解析： 热电偶根据金属组合不同分为多种类型，如类型K适用于高温环境，类型T适合低温测量等。 12.热电偶自由端温度补偿的原理是什么？为什么要进行自由端温度补偿？ 解析： 自由端温度补偿是使用与热电偶材料相同的导线连接自由端，以抵消因温度变化引起的电动势变化，保证测量精度。 [学法建议] 重点复习知识点： 1.热电势效应：将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。 2.热电效应的本质：热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电偶的热电动势由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。 3.热电偶的结构：普通型热电偶是工程实际中最常用的一种型式，其结构大多由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒四部分组成。 4.补偿导线，延引电极：为了使热电偶自由端不受高温热源的影响，自由端温度基本保持恒定或波动较小，可把热电偶做得很长，这样势必引起使用贵重金属热电偶的成本加大。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$