《自动检测与转换技术》第9章练习题分析

PAGE1PAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第九章热电偶传感器思考题与练习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。部分分析采用口语化的型式，希望能够提高读者的兴趣。所展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队会认真与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）两端密闭的弹簧管（又称波登管，见图1-7）中的气体温度升高后，气体对容器内壁的压强随之增大，弹簧管的截面趋向于圆形，截面的短轴力图伸长，长轴缩短。截面形状的改变导致弹簧管趋向伸直，一直到与压力的作用相平衡为止使弹簧管撑直，从而可用于测量温度。从微观上分析，弹簧管内部压强随温度增大的原因是____稳定的化学结构的气体分子，它的直径也是稳定的___。A．气体分子的无规则运动加剧，撞击容器内壁的能量增大B．气体分子的直径增大C．气体分子之间的排斥力增大D．气体分子对容器壁的碰撞后的动量总和减小图1-7电位器式压力传感器示意图1－弹簧管（敏感元件）2－电位器（传感元件、测量转换电路）3－电刷4－传动机构（齿轮-齿条）2）正常人的体温为37℃，则此时的华氏温度约为__(9/5)×37+32____，热力学温度约为___加上273A．32F，100KB．99F，236KC．99F，310KD．37F，310K3）__温度差值___的数值越大，热电偶的输出热电动势就越大。A．热端直径B．热端和冷端的温度C．热端和冷端的温差D．热电极的电导率4）测量钢水的温度，最好选择___上网查钢的熔点___热电偶；测量钢退火炉的温度，最好选择___小于900℃___热电偶；测量汽轮机高压蒸气（200℃左右）的温度，且希望灵敏度高一些，选择___查表9-2A．RB．BC．SD．KE．E5）测量CPU散热片的温度应选用____很薄的__型的热电偶；测量锅炉烟道中的烟气温度，应选用___工业中常用的___型的热电偶；测量100m深的岩石钻孔中的温度，应选用___很长的___型的热电偶。A．普通B.铠装C．薄膜D．热电堆6）镍铬-镍硅热电偶的分度号为___查表9-2___，铂铑13-铂热电偶的分度号是___查表9-2___，铂铑30-铂铑6热电偶的分度号是___表9-2中最高的___。A．RB．BC．SD．KE．E7）在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是___“补偿”这个名词用在补偿导线上是名不副实的___。A．补偿热电偶冷端热电动势的损失B．起冷端温度补偿作用C．将热电偶冷端延长到远离高温区的地方D．提高灵敏度8）在图9-9中，热电偶新的冷端在___A'、B'与两根铜导线接线盒的位置___。A．温度为t处B．温度为tn处C．温度为t0处D．毫伏表接线端子上9）在实验室中测量金属的熔点时，冷端温度补偿采用___实验室的条件允许……___，可减小测量误差；而在车间，用带微处理器的数字式测温仪表测量炉膛的温度时，应采用___带微处理器的数字式仪表的特点是：有很强的计算能力所以……___较为妥当。A．计算修正法B．仪表机械零点调整法C．冰浴法D．冷端补偿器法（电桥补偿法）2．在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图9-15所示。试说明图9-15用浸入式热电偶测量熔融金属示意图1－钢水包2－钢熔融体3－热电极A、B4－热电极接线柱5－补偿导线6－保护管7－补偿导线与毫伏表的接线柱8－毫伏表1）为什么不必将工作端焊在一起？2）要满足哪些条件才不影响测量准确度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？3）如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？提示：1）为什么不必将工作端焊在一起：要从被测对象的特性来考虑……2）要满足哪些条件才不影响测量准确度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律：中间导体定律？中间温度定律？3）如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？要从塑料的特性来考虑……3．用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度t0为0℃，用高准确度毫伏表测得这时的热电动势为30.798mV，求被测点温度。提示：由于冷端温度t0为0℃，就可以直接用30.798mV来“倒查”附录E热电偶分度表，得到被测点温度为……4．图9-16所示为镍铬-镍硅热电偶测温电路，热电极A、B直接焊接在钢板上（V型焊接），A'、B'为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40.0℃，冰水温度t2=0.0℃，接线盒2的温度t3=图9-16采用补偿导线的镍铬-镍硅热电偶测温示意图1）当Ux=39.314mV时，计算被测点温度tx。2）如果A＇、B＇换成铜导线，此时Ux=37.702mV，再用计算修正法求tx。3）直接将热电极A、B焊接在钢板上时，tx与tx＇哪一个略大一些？为什么？如何减小这一误差？1）当Ux=39.314mV时，计算被测点温度tx：提示：根据图9-16，由于热电偶的末端（A、B）与补充导线（A＇、B＇）相连接，所以热电偶的冷端被延长到补偿导线的末端，新的冷端在“冰瓶”的位置。由于冰瓶的温度为0℃，所以可直接查附录E，得到被测点温度t=……2）如果A＇、B＇换成铜导线，此时Ux=37.702mV，再用计算修正法求tx：提示：如果A＇、B＇换成铜导线，热电偶的冷端就不在冰瓶的位置，而只是在热电偶与铜线的连接处（“接线盒1”的位置）。由于热电偶的冷端不为0℃，那么就不能直接查附录E，而要按照式（9-3）来计算并补偿冷端不为0℃EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0上式中，EAB(t,t0)是用毫伏表直接测得的热电动势（毫伏数）大小。本题中，EAB(t,t0)≈Ux=37.702mV。EAB(t,t0)是热电动势，是理论值；Ux是实测的热电偶输出电压。EAB(t,t0)略小于Ux。修正的步骤：先测出冷端温度t0。本题中，冷端温度t0就是接线盒1的温度，（已知t1=40.0℃）。②然后从该热电偶分度表中查出EAB(t0,0℃)（此值相当于损失掉的热电动势），本题中，EAB(40C,0℃)=③把EAB(t0,0℃)加到所测得的EAB(t,t0)上。EAB(t,t0)≈Ux④根据式（9-3）求出EAB(t0,0℃)=37.702mV+1.612mV=39.314mV（此值是已得到补偿的热电动势，冷端接线盒的温度高于0C，⑤根据EAB(t0,0℃)，再在分度表中查出相应的温度值t=？？？℃⑥补偿的结果，被测温度与第一小题的结果完全相等。这是因为：被测温度是客观存在的，不管如何接线，都不可能影响客观存在的事实。如果计算结果不一致，就说明接线的方法不对或者是计算方法不对。⑦计算修正法共需要查分度表两次。如果冷端接线盒的温度低于0C，由于查出的EAB(t0,0℃计算修正法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。3）直接将热电极A、B焊接在钢板上时，tx与tx＇哪一个略大一些？为什么？如何减小这一误差？直接将热电极A、B焊接在钢板上时，由于钢板外表面有散热现象，所以外表面的温度会略低于钢板的温度。应该在钢板的表面敷设保温层，例如“石棉”、“硅酸铝纤维棉”等。5．图9-17为利用XMT型仪表（见图9-11b的接线说明）组成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。图9-17利用XMT型仪表组成热电偶测温、控温电路（直接在上图中连线）图9-01利用XMT型仪表组成热电偶测温、控温电路的实物接线示意图6．请到商店观察符合国家标准的煤气灶，再上网查阅有关资料，说明煤气灶熄火保护装置的基本工作原理。提示：煤气灶的熄火保护装置用于因各种因数导致火焰意外熄灭（例如没有“点着”煤气或者烧稀饭、面条溢出而浇灭火焰）燃气通道被自动切断，防止煤气逸出而造成火灾、人身安全事故。常见的煤气灶具有两种熄火保护方式：一种是离子感应针式，一种是热电偶式。1）感应针式工作原理：感应针检测煤气火焰中的离子，产生微弱电流，通过单片机驱动电磁阀。如果火焰意外熄灭，就能快速使电磁阀失电，从而切断煤气。感应针式煤气灶熄火保护工作过程是：①使用者用力向内按入煤气开关，并将它逆时针旋转；②电磁阀的磁铁被人为按到衔铁上，燃气通过电磁阀到达喷口；③点火电路产生断续的电火花，煤气被点燃；火焰“舔到了”离子感应针，离子针、火焰、燃气灶壳体之间形成一个单向导电回路（与二极管类似）。④由干电池逆变产生的交流激励电压被感应针所整流，因此在滤波电容两端产生直流电压，施加到煤气灶内面的单片机输入端（高电平）；⑤单片机产生大约5mA的电流，电流流经电磁阀，使电磁阀保持吸合；⑥使用者的手离开煤气灶的开关，电磁阀的衔铁依然被吸在磁铁上；⑦当煤气灶意外熄火的时候，单片机输入端的电压为低电平，单片机使电磁阀失电。为了防止大风造成偏焰（假熄火），单片机开始从6s倒计时。如果时间归零，火焰仍未烧到离子感应针，单片机即判断此时已经熄火，使电磁阀的端电压为零，同时产生报警声音，通知使用者。2）热电偶式煤气灶熄火保护工作原理：热电偶被火焰所加热，产生微弱的热电动势，使电磁阀保持吸合状态（点火时仍需要人工将磁铁按到衔铁上）。一旦遇到大风或汤水等溢出，扑灭了火焰，热电偶感受到的温度下降，降到一定程度时，热电偶产生的电压不能维持电磁阀继续吸