《传感器及应用》热电偶的参考端(冷端)温度处理、安装与表面测温及应用（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》热电偶的参考端(冷端)温度处理、安装与表面测温及应用-讲义 知识点一 热电偶的参考端(冷端)温度处理 热电偶在工作时，必须保持冷端温度恒定，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0℃做出的。 在工程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。 为了消除这种误差， 可采取下列温度补偿或修正措施。 一、参考端恒温法： 将热电偶的参考端放在有冰水混合的保温瓶中，可使热电偶输出的热电动势与分度值一致，测量精度高，常用于实验室中。 工业现场可将参考端置于盛油的容器中，利用油的热惰性使参考端保持接近室温。 二、补偿导线法： 采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处。 为了节约贵重金属，热电偶电极不能做得很长，但在0~100℃范围内，可以用与热电偶电极有相同热电特性的廉价金属制作成补偿导线来延伸热电偶。 在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线；补偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用温度范围。 常用补偿导线的特性见表1。 表1 常用热电偶补偿导线的特性 三、热电动势修正法： 热电偶的分度表是以参考端温度T0=0℃时获得的，当参考端温度Tn≠0℃时，热电偶的输出热电动势将不等于，而等于，如图1所示。 为求得真实温度，可根据热电偶中间温度定律： 将测得的电动势的加上一个修正电动势算出，再查分度表，实测温度值。 图1 热电偶的热电动势与温度关系 四、电桥补偿法： 电桥补偿法：利用热电阻测温电桥产生的电动势来补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势。 图2 冷端补偿器 如图2所示，在热电偶与仪表之间接入一个直流电桥（常称为冷端补偿器），4个桥臂由（均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制）及 Rc（由电阻温度系数较大的铜丝绕制）组成，阻值都是1Ω。 由图2可知电路的输出电压为。 和参考端感受相同的温度，当环境温度发生变化时，引起值的变化，使电桥产生的不平衡电压Uc与热电偶的热电势变化大小相等、极性相反，达到自动补偿的目的。 常用国产冷端补偿器如表2。 表2 常用国产冷端补偿器 热电偶冷端温度处理的主要目的是（ ） A. 提高热端温度测量范围 B. 减小热端的热电势 C. 消除冷端温度变化对测量的影响 D. 增加冷端的热电势 【答案】C 【解析】热电偶的热电势大小与热端和冷端的温度差有关。冷端温度如果发生变化，会导致热电势产生偏差，影响温度测量的准确性。冷端温度处理主要是为了消除这种由于冷端温度变化而带来的测量误差。 1. 以下哪种是冷端温度处理的方法（ ） A. 冷端恒温法 B. 冷端短路法 C. 冷端加热法 D. 冷端开路法 【答案】A 【解析】冷端恒温法是常用的冷端温度处理方法，例如将冷端置于冰水混合物中，使冷端温度保持在0℃，这样可以有效减少冷端温度波动对热电势测量的影响。冷端加热会使温度更加不稳定；冷端短路和开路会导致测量无法正常进行。 2. 若热电偶冷端温度不为0℃，根据（ ）可以对热电势进行修正 A. 中间导体定律 B. 参考电极定律 C. 中间温度定律 D. 均质导体定律 【答案】C 【解析】中间温度定律指出，热电偶在两接点温度为T、T₀时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T₀时热电势的和。当冷端温度不为0℃时，可以利用中间温度定律对热电势进行修正，从而得到准确的测量结果。 3. 对于精度要求较高的温度测量，冷端温度处理最好采用（ ） A. 简单估算修正法 B. 补偿导线结合恒温法 C. 忽略冷端温度变化 D. 只使用补偿导线法 【答案】B 【解析】 简单估算修正法可能存在一定误差；忽略冷端温度变化会导致测量不准确；只使用补偿导线法，若延伸后的环境温度仍有波动，还是会有误差。补偿导线结合恒温法可以将冷端延伸到合适位置并保持恒温，能有效提高测量精度。 1. 以下哪种材料不能用于制作热电偶冷端恒温容器（ ） A. 泡沫塑料 B. 玻璃 C. 陶瓷 D. 金属（导热性好的） 【答案】D 【解析】制作冷端恒温容器要求材料保温性能好，减少外界环境温度对冷端的影响。金属导热性好，不利于保温，不能很好地维持冷端恒温。泡沫塑料、玻璃和陶瓷有一定的保温性能，可以用于制作冷端恒温容器。 2. 采用补偿电桥法时，电桥中电阻的温度系数（ ） A. 都应该为零 B. 应该与热电偶的热电势温度系数相同 C. 应该根据冷端温度变化规律选择 D. 不受限制 【答案】C 【解析】在补偿电桥法中，电桥中的电阻温度系数要根据冷端温度变化规律来选择，这样才能使电桥输出的补偿电压准确地抵消由于冷端温度变化引起的热电势变化，从而实现有效的冷端温度补偿。 3. 补偿导线的极性接反会导致（ ） A. 测量结果不受影响 B. 测量结果比实际温度低 C. 测量结果比实际温度高 D. 热电偶损坏 【答案】B 【解析】补偿导线有极性，若接反，会引入一个与正常补偿相反的热电势，使得测量的热电势减小，从而导致测量结果比实际温度低。 · 理想情况下，冷端温度应恒定在0℃，以减少温度变化对测量结果的影响。 · 通过电子补偿器、软件算法或补偿导线等方法，实时监测并补偿冷端温度的变化。 · 通过焊接、插接或螺纹连接等，确保冷端连接的稳定性和可靠性。 知识点二 热电偶的安装与表面测温 1、 热电偶的安装： 1.注意插入深度： 一般热电偶的插入深度，若采用金属保护管应为直径的15~20倍； 若采用非金属保护管应为直径的10~15倍。对细管道内流体的温度测量应尤其注意。 2.如果被测物体很小，安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。 3.测量含有大量粉尘气体的温度，最好选用铠装型电偶 2、 热电偶表面测温： 在300℃以下用热电偶测量物体表面温度，可用粘接剂将热电偶结点粘附于金属壁面。 在温度较高时，常采用焊接方法把热电偶头部焊在金属壁面。 图3所示出了一般的焊接方式。 图3 热电偶头部焊接方式 利用热电偶测量大型设备的平均温度时，可将热电偶串联或并联使用。串联时热电动势大，精度高，可测较小的温度信号或者配用灵敏度较低的仪表；缺点是只要一支热电偶发生断路则整个电路不能工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。并联时总电动势为各个 热电偶热电动势的平均值，可以不必更改仪表的分度；缺点是如果存在热电偶断路，仪表反映不出来。 热电偶安装时，为了保证测量精度，热端应该（ ） A. 与被测物体紧密接触 B. 与被测物体保持一定距离 C. 安装在有空气层隔离被测物体的位置 D. 随意放置在被测物体附近 【答案】A 【解析】 热电偶热端与被测物体紧密接触才能准确感知被测物体的温度。如果有距离或空气层隔离，会因为热传导损耗和热辐射等因素导致测量温度与实际温度有偏差，随意放置更无法准确获取物体真实温度。 1. 以下哪种安装方式适用于测量管道内流体的温度（ ） A. 垂直于管道壁插入，热端在管道中心 B. 平行于管道壁安装，热端靠近管道壁 C. 斜插入管道，热端在管道一半深度处 D. 安装在管道外表面 【答案】A 【解析】垂直于管道壁插入且热端在管道中心，可以使热端充分接触流体，更准确地测量流体温度。平行于管道壁热端靠近壁面主要测管壁温度；斜插入可能无法准确获取中心流体温度；安装在管道外表面不能直接测流体温度。 2. 在安装热电偶用于表面测温时，若要减小热接触电阻，可采用（ ） A. 减少热端与表面的接触面积 B. 增加安装夹具的厚度 C. 涂抹导热硅脂 D. 使用绝缘材料隔离热端和表面 【答案】C 【解析】导热硅脂可以填充热端与被测表面之间的微小空隙，减小热接触电阻，提高热传导效率。增加夹具厚度、减少接触面积、使用绝缘材料隔离都会阻碍热传导，增大热接触电阻。 3. 当在金属表面安装热电偶进行测温时，为防止短路，需要（ ） A. 不做任何处理，因为热电偶本身不会短路 B. 用绝缘胶带将热端与金属表面隔开 C. 使用金属夹具直接固定热端 D. 把热端包裹在金属箔内 【答案】B 【解析】 为防止热端与金属表面短路，影响热电势测量，要用绝缘胶带等绝缘材料将热端与金属表面隔开。不处理可能会短路；使用金属夹具直接固定或包裹在金属箔内会导致短路。 1. 对于高速流动的气体表面温度测量，热电偶安装应注意（ ） A. 热端背向气流方向，避免被吹走 B. 热端与气流方向平行，减少对气流的干扰 C. 热端垂直于气流方向，以更好地接触热量 D. 随意安装，因为气流对测量影响不大 【答案】C 【解析】热端垂直于气流方向能更好地接触高速流动气体所携带的热量，准确测量温度。热端背向气流方向不能有效接触热量；与气流方向平行接触热量效果差；气流对温度测量影响大，不能随意安装。 2. 在安装用于表面测温的热电偶时，若被测表面是弧形，最好使用（ ） A. 刚性热电偶直接安装 B. 可弯曲的铠装热电偶 C. 薄膜热电偶 D. 多点式热电偶 【答案】B 【解析】可弯曲的铠装热电偶可以更好地贴合弧形表面，保证热端与表面良好接触，从而准确测量温度。刚性热电偶难以贴合弧形表面；薄膜热电偶一般用于特殊的高精度表面温度测量等情况；多点式热电偶用于多个点测量，不是针对弧形表面贴合优势。 3. 当安装热电偶用于高温表面测温时，以下哪种保护措施是必要的（ ） A. 采用耐高温的保护套管 B. 用普通塑料套管包裹热电偶 C. 用湿布包裹热电偶 D. 不需要特殊保护 【答案】A 【解析】在高温环境下，需要采用耐高温的保护套管来保护热电偶不受高温损坏，保证其正常工作。普通塑料套管不耐高温；湿布包裹在高温下会汽化，且不能起到保护作用；高温环境下必须有特殊保护。 · 根据测量环境的温度范围、介质性质及精度要求，选择适宜的热电偶类型。 · 热电偶的测量端应与被测表面紧密接触，可通过焊接、粘结剂固定等方法，确保测量准确。 · 安装位置应远离热源直接辐射、强磁场干扰以及振动源，减少外界因素对测量精度的影响。 知识点三 热电偶的应用 一、热电偶的测温线路： 如图4所示，热电偶可用于测量两点温度之和及两点温度之差。 图4-a 是两支同型号的热电偶正向串联，用来测量两点温度之和。若则当使用多根热电偶串联测温时，就能成倍地提高总的热电动势的输出，大大提高测量的灵敏度，称为热电堆。 图4-b 为两支同型号的热电偶反向串联，用来测量两点间的温度之差。 图4 热电偶的测温线路 二、热电偶热电动势的测量： 热电偶输出的热电动势与被测温度有对应关系，热电动势的测量可用动圈式仪表、电位差计、电子电位差计，或通过微机识别后输出，显示温度值。 采用动圈式仪表测量热电动势时， 由于线路中电阻的影响，将使仪表指示值与实际热电动势不一致，特别是外接电阻较大时测量误差不容忽视。 用电位差计测量时，是采用标准电压来平衡热电动势的。标准电压与热电动势方向相反，回路中没有电流，因此，线路电阻对测量结果没有影响。 如图5所示是用电位差计测量热电动势的工作原理图。当开关S1接通，调整R0使检流计G2指零。此时获得工作电流I=EH/RH（即a、c 两点间电压IRH与标准电压EH 平衡）。断开S1，接通S2，调节电位器Rp，使检流计G1指零，此时测量电路中电流为零。当温度变化时，将有电流通过G1，指针偏转，调节Rp 使G1重新指零，由电位器Rp的刻度读出所测热电动势。考虑热电偶自由端温度补偿后，再查所用热电偶的分度表，即可得到所测温度值 电子电位差计的工作原理与电位差计相同并已考虑自由端温度补偿，它是通过自动平衡系 统始终保持平衡状态的。 图5 电位差计热电偶测温电路 以下哪种测温线路适合远距离测量热电偶的热电动势（ ） A. 直接将热电偶连接到测量仪表 B. 使用补偿导线将热电偶与测量仪表连接 C. 在热电偶和测量仪表之间串联一个大电阻 D. 在热电偶和测量仪表之间并联一个电容 【答案】B 【解析】 补偿导线可以在一定温度范围内保持与热电偶相似的热电特性，将热电偶的信号传输到较远的测量仪表，减少因线路电阻等因素导致的信号衰减和误差。直接连接在远距离测量时易受干扰；串联大电阻会改变电路特性影响测量；并联电容主要用于滤波等，对远距离传输帮助不大。 1. 在测量热电偶热电动势时，为了提高测量精度，应尽量使（ ） A. 测量回路的电阻尽可能大 B. 热电偶的冷端温度尽可能高 C. 测量回路的电阻尽可能小 D. 热电偶的热端温度尽可能低 【答案】C 【解析】根据欧姆定律，当回路电阻尽可能小时，在热电动势一定的情况下，电流测量误差会减小，从而提高测量精度。冷端温度高会影响热电动势测量准确性；热端温度尽可能低不符合测温目的，且与提高精度关系不大。 2. 热电偶测温线路中，如果存在接触电阻，会导致（ ） A. 热电动势测量值偏大 B. 热电动势测量值偏小 C. 不影响热电动势测量 D. 使测量的温度范围变大 【答案】B 【解析】接触电阻会在测量回路中分压，使得测量仪表实际接收到的电压（即热电动势对应的电压）变小，从而导致热电动势测量值偏小。它不会使测量值偏大或扩大温度范围，会对测量产生负面影响。 3. 采用三线制测量热电偶热电动势的主要目的是（ ） A. 增加热电动势 B. 使测温线路更加复杂 C. 改变热电偶的热电特性 D. 减少引线电阻的影响 【答案】D 【解析】三线制测量中，通过巧妙的线路连接，可以使引线电阻的影响在一定程度上相互抵消，从而提高测量精度，减少因引线电阻导致的热电动势测量误差，而不是增加热电动势、改变热电特性或使线路更复杂。 1. 以下哪种仪表不适合直接测量热电偶的热电动势（ ） A. 电位差计 B. 普通电压表 C. 数据采集卡（带有电压测量功能） D. 毫伏表 【答案】B 【解析】普通电压表内阻不够高，在测量热电动势时会有电流通过电压表，导致电压表内阻分压，产生测量误差。电位差计、数据采集卡（配置合适时）和毫伏表能够更好地匹配热电偶的高内阻特性，减少测量误差。 2. 在热电偶测温线路中，若发现测量的热电动势波动较大，可能的原因是 ( ) A. 存在电磁干扰 B. 测量回路屏蔽良好 C. 热电偶冷端温度稳定 D. 热端温度不变 【答案】A 【解析】存在电磁干扰会导致测量线路中的信号受到干扰，使热电动势测量值波动较大。冷端温度稳定和热端温度不变会使测量相对稳定；测量回路屏蔽良好可以减少干扰，而不是导致波动。 3. 当用数字万用表测量热电偶热电动势时，为了准确测量，应该将万用表设置为（ ） A. 电流档 B. 电阻档 C. 电压档（毫伏档） D. 电容档 【答案】C 【解析】因为要测量的是热电动势，热电动势本质是电压，所以应该将万用表设置为电压档（毫伏档），这样才能正确读取热电动势的值。电流档用于测电流，电阻档测电阻，电容档测电容，均不符合要求。 · 可采用补偿导线远距离传输信号。 · 宜用高内阻仪表，像电位差计、毫伏表，避免普通电压表。数字万用表应设为电压（毫伏）档。 · 热电动势特性是直流信号，大小与热电偶材料和温度差有关。不同材料组合的热电特性不同。 · 高精度测量要关注冷端温度补偿，采用高精度仪表。 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 $$