《传感器及应用》热电偶传感器的工作原理、结构和种类（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》热电偶传感器的工作原理、结构和种类-讲义 知识点一 热电偶传感器的工作原理 1、 热电势效应： 热电势效应：简称热电效应，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。 图1所示为热电偶回路及符号。 图1 热电偶回路 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t。 热电效应的本质：热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能。 热电偶的热电动势：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）：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。 2、 热电偶回路的主要性质： 1.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。 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。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。 图2 开路热电偶的使用 2.中间温度定律： 热电偶AB在接点温度为时的热电动势，等于热电偶在接点温度为和时的热电动势的总和，即 3.标准电极定律： 当工作端和自由端温度分别为t和t0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和，即 利用标准电极定律可以方便地从几个热电极与标准电极组成热电偶时所产生的热电动势，求出这些热电极彼此任意组合时的热电动势，而不需要逐个进行测定。 纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。 热电偶传感器是基于（ ）效应工作的 A. 热电 B. 光电 C. 压电 D. 电磁 【答案】A 【解析】热电偶传感器是基于热电效应，即两种不同材质的导体或半导体组成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中会产生电动势。 1. 对于一个正常工作的热电偶，若热端温度为100℃，冷端温度为0℃，当冷端温度变为20℃，热端温度不变，热电势（ ） A. 升高 B. 降低 C. 不变 D. 先升高后降低 【答案】B 【解析】因为热电势和两端温差有关，冷端温度升高，温差变小，所以热电势降低。 2. 热电偶的热电势由（ ）组成 A. 接触电势和温差电势 B. 电阻电势和电容电势 C. 电感电势和磁电电势 D. 化学电势和物理电势 【答案】A 【解析】热电偶的热电势是由接触电势和温差电势组成的，接触电势是由于两种不同材料的导体接触时电子扩散产生的，温差电势是由于同一导体两端温度不同产生的。 3. 在热电偶回路中接入第三种导线，只要第三种导线（ ），就不会影响热电势 A. 长度足够短 B. 材质与热电偶相同 C. 两端温度相同 D. 粗细均匀 【答案】C 【解析】 在热电偶回路中接入第三种导线，只要该导线两端温度相同，就不会影响热电势，这是热电偶的中间导体定律。 1. 热电偶传感器测量温度时，主要测量的是（ ） A. 冷端温度 B. 热端温度 C. 环境温度 D. 平均温度 【答案】B 【解析】热电偶传感器主要是通过热端感受温度变化，基于热端和冷端的温度差产生热电势来测量热端温度。 2. 热电偶传感器的输出信号是（ ） A. 电阻信号 B. 电流信号 C. 热电势信号 D. 电容信号 【答案】C 【解析】热电偶传感器工作时输出的是热电势信号，这个热电势信号可以用来反映温度差。 3. 以下哪种因素对热电偶传感器的热电势没有直接影响？（ ） A. 热端和冷端的材料 B. 热端和冷端的温度差 C. 热电偶的纯度 D. 周围磁场强度 【答案】D 【解析】周围磁场强度一般对热电偶的热电势没有直接影响，热电势主要和热端冷端材料以及它们的温度差有关，热电偶材料纯度也会对热电势产生一定影响。 · 热电效应：两种不同金属组成闭合回路，两接点温度不同时产生热电势。 · 温差发电：利用温度差使电子移动，产生电动势。 · 塞贝克系数：反映材料产生热电势的能力。 · 冷端补偿：考虑冷端温度变化对测量精度的影响。 知识点二 热电偶的结构 普通型热电偶结构大多由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒四部分组成，如图3所示,。 图3 普通热电偶的结构 1、 热电极： 热电偶常以热电极材料种类来定名，例如铂铑-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶等。 热电偶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入深度来决定。 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。 以下哪个部分不是普通热电偶的基本结构组成部分（ ） A. 热电极 B. 绝缘套管 C. 加热丝 D. 保护套管 【答案】C 【解析】普通热电偶主要由热电极、绝缘套管、保护套管等部分组成。热电极是用来产生热电势的关键部分；绝缘套管用于防止两根热电极短路；保护套管则起到保护热电极和绝缘套管免受外界环境侵蚀等作用。而加热丝不是热电偶本身的结构组成部分。 1. 热电偶的热电极材料通常具有（ ） A. 高电阻 B. 高导热性 C. 相同的热电特性 D. 不同的热电特性 【答案】D 【解析】热电偶是基于塞贝克效应工作的，它由两种不同材料的热电极组成。当两个热电极的接触点处于不同温度时，由于两种材料的热电特性不同，会产生热电势。如果材料的热电特性相同，就无法产生用于测温的热电势。高电阻和高导热性不是热电极材料必须的主要特性用于构成热电偶的基本功能。 2. 绝缘套管在热电偶中的主要作用是（ ） A. 减少热损失 B. 增加热电势 C. 防止热电极短路 D. 保护热电极不受腐蚀 【答案】C 【解析】绝缘套管包围着热电极，它的主要作用是使两根热电极之间相互绝缘，防止它们短路。减少热损失主要是通过保护套管等方式以及热电偶的安装方式等来考虑；绝缘套管本身不会增加热电势；保护热电极不受腐蚀主要是保护套管的功能。 3. 保护套管一般采用（ ）材料制作 A. 塑料 B. 玻璃 C. 金属或陶瓷 D. 橡胶 【答案】C 【解析】 保护套管需要有一定的强度和耐高温、耐腐蚀等性能。金属（如不锈钢等）和陶瓷材料可以很好地满足这些要求，能够保护内部的热电极和绝缘套管不受高温、高压、腐蚀性介质等的损害。塑料和橡胶一般不耐高温，玻璃虽然耐高温但易碎，在很多工业环境下不太适合作为保护套管材料。 1. 下列哪种热电偶结构更适合在腐蚀性环境中使用（ ） A. 无保护套管的简单结构 B. 带有陶瓷保护套管的结构 C. 带有金属保护套管的结构 D. 仅带有绝缘套管的结构 【答案】B 【解析】陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性。在腐蚀性环境中，无保护套管的简单结构和仅带有绝缘套管的结构，热电极容易被腐蚀；金属保护套管可能会与某些腐蚀性物质发生化学反应，而陶瓷保护套管可以有效地隔离腐蚀性介质，保护热电偶的关键部分。 2. 热电偶的热电极连接方式一般是（ ） A. 焊接 B. 铆接 C. 螺接 D. 胶接 【答案】A 【解析】热电极之间通常采用焊接的方式连接。焊接可以保证良好的电气接触，使热电势能够准确地产生和传导。铆接、螺接可能会导致接触不良，产生较大的接触电阻，影响热电势的测量精度；胶接一般不能用于热电极连接这种需要良好导电性能的情况。 3. 为了使热电偶能够准确测量温度，其热端（ ） A. 可以随意放置，只要在被测环境中就行 B. 应该与被测物体保持一定距离 C. 应该与被测物体紧密接触 D. 最好有空气层隔离被测物体 【答案】C 【解析】为了能够准确测量温度，热电偶的热端应该与被测物体紧密接触，这样才能保证热端的温度与被测物体的温度尽可能一致。如果与被测物体保持一定距离或者有空气层隔离，会导致测量的温度与实际温度存在较大误差；随意放置也无法准确获取被测物体的温度。 · 热电极：由两种不同材质构成，是产生热电势的关键部件，材质决定热电偶性能。 · 绝缘套管：隔离热电极，防止短路，保障测量准确性与稳定性。 · 保护套管：保护内部结构，免受化学腐蚀、机械损伤，延长热电偶使用寿命。 · 接线盒：实现与外部电路连接，便于信号传输与测量仪表对接 知识点三 热电偶的种类 一、标准化和非标准化热电偶： 标准化热电偶的工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产。 同一型号可以互相调换和统一分度，并且有配套显示仪表。 国产标准化热电偶如铂铑10 -铂、铂铑30-铂铑6等。表1列出了几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。 非标准化热电偶有钨铼丝热电偶、铱铑丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。 表1 常用热电偶 二、普通型热电偶： 普通型热电偶的外形如图4所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。 根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套管。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种；按使用状态的要求又可分为密 封式和高压固定螺纹式。 图4 普通型热电偶外形 3、 铠装热电偶： 铠装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。 热电偶的套管外径最细能达0.25mm，长度可达100m 以上。 铠装热电偶具有体积小、精度高、响应速度快、可靠性高、 耐振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。 铠装热电偶的外形及结构如图5所示。 图5 铠装热电偶的外形及结构 以下哪种热电偶适用于高温测量，其测温范围可达1600℃左右（ ） A.K型热电偶 B. S型热电偶 C. E型热电偶 D. T型热电偶 【答案】B 【解析】 S型热电偶（铂铑10 -铂）是贵金属热电偶，它的测温上限较高，长期使用温度可达1300℃左右，短期可达1600℃。K型热电偶（镍铬-镍硅）测温范围是 - 200℃- 1300℃；E型热电偶（镍铬-康铜）测温范围是 - 200℃- 900℃；T型热电偶（铜-康铜）测温范围是 - 200℃- 350℃。 1. 对于低温测量较为准确的热电偶是（ ） A. R型热电偶 B. B型热电偶 C. T型热电偶 D. J型热电偶 【答案】C 【解析】T型热电偶（铜-康铜）在低温测量时精度较高，它可以测量-200℃- 350℃的温度范围，在低温区域线性度较好。R型热电偶（铂铑13-铂）主要用于高温精密测量；B型热电偶（铂铑30-铂铑6）用于高温测量；J型热电偶（铁-康铜）测温范围是-200℃-750℃，在低温下精度不如T型热电偶。 2. 哪种热电偶的热电势率（灵敏度）最高（ ） A. K型热电偶 B. E型热电偶 C. S型热电偶 D. B型热电偶 【答案】C 【解析】E型热电偶（镍铬-康铜）的热电势率比较高，大约为60-70μV/℃，在常用热电偶中灵敏度是比较突出的。K型热电偶（镍铬-镍硅）的热电势率约为40μV/℃；S型热电偶（铂铑10-铂）热电势率约为6-10μV/℃；B型热电偶（铂铑30-铂铑6）热电势率约为10μV/℃左右。 3. 以下热电偶中，属于廉金属热电偶的是（ ） A. R型热电偶 B. K型热电偶 C. S型热电偶 D. B型热电偶 【答案】B 【解析】廉金属热电偶是由廉金属材料（价格相对便宜的金属）制成的。K型热电偶（镍铬-镍硅）是廉金属热电偶。R型热电偶（铂铑13-铂）、S型热电偶（铂铑10-铂）、B型热电偶（铂铑30-铂铑6）都属于贵金属热电偶，它们的热电极材料含有铂、铑等贵金属。 1. 适用于氧化性和中性气氛中测温的热电偶是（ ） A. K型热电偶 B. J型热电偶 C. T型热电偶 D. E型热电偶 【答案】A 【解析】K型热电偶（镍铬-镍硅）抗氧化性能好，适用于氧化性和中性气氛中测温。J型热电偶（铁-康铜）在氧化性气氛中，铁电极容易被氧化；T型热电偶（铜-康铜）在某些氧化性较强的环境中性能会受影响；E型热电偶（镍铬-康铜）在氧化性环境中的稳定性不如K型热电偶。 2. 下列热电偶中，哪种在还原性气氛中容易出现问题 ( ) A. S型热电偶 B. J型热电偶 C. E型热电偶 D. T型热电偶 【答案】A 【解析】S型热电偶（铂铑10-铂）在还原性气氛中，铂和铂铑合金容易被还原气体侵蚀，导致热电特性发生变化，测量精度下降。 3. 以下哪种热电偶的输出热电势与温度的线性关系较好（ ） A. S型热电偶 B. R型热电偶 C. B型热电偶 D. K型热电偶 【答案】D 【解析】K型热电偶（镍铬-镍硅）在一定温度范围内，其输出热电势与温度呈现较好的线性关系，这使得它在温度测量和信号处理过程中相对简单方便。R型、B型和S型热电偶的热电势-温度特性曲线的线性度不如K型热电偶。 · 廉金属成本低，贵金属精度高、耐高温，适用于特殊环境。 · 特殊型像薄膜热电偶用于表面温度测量。 · 低温型精度在低温环境较好，高温型能承受高温环境。 · 装配式安装方便，铠装式可弯曲、耐高压。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$