自动检测技术及仪表控制系统第二版复习重点及思考题答案分析Word下载.docx

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检测单元：

是控制系统实现控制调节作用的及基础，它完成对所有被控变量的直接测量，也可实现某些参数的间接测量。

变送单元：

完成对被测变量信号的转换和传输，其转换结果须符合国际标准的信号制式。

变：

将各种参数转变成相应的统一标准信号；

送：

以供显示或下一步调整控制用。

显示单元：

将控制过程中的参数变化被控对象的过渡过程显示和记录下来，供操作人员及时了解控制系统的变化情况。

分为模拟式，数字式，图形式。

调节单元：

将来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此产生的偏差进行比例积分微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作，以实现对不同被测或被控参数的自动调节。

执行单元：

是控制系统实施控制策略的执行机构，它负责将调节器的控制输出信号按执行结构的需要产生相应的信号，以驱动执行机构实现被控变量的调节作用。

1.4什么是仪表的测量范围，上下限和量程？

彼此有什么关系？

是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。

上下限：

测量范围的最小值和最大值。

用来表示仪表测量范围的大小。

1.6什么是仪表的灵敏度和分辨率？

两者存在什么关系？

灵敏度是仪表对被测参数变化的灵敏程度。

分辨率是仪表输出能响应和分辨的最小输入量，又称仪表灵敏限。

分辨率是灵敏度的一种反应，一般说仪器的灵敏度高，则分辨率同样也高。

4温度检测

4.1测温方法及温标

4.1.1测温原理及方法

原理：

通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。

方法：

接触式测温：

传热和对流需要较好的热接触由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求高

非接触式测温：

热辐射特点：

测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象。

4.1.2温标

表4-1

国际温标由定义固定点、内插标准仪器和内插公式三部分组成。

4.2接触式测温

4.2.1热电偶测温

1．特点：

测温范围宽，性能稳定，有足够的的测量精度，结构简单，动态效应好，输出为电信号，可远传，便于集中监测和自动控制。

2．原理:

基于热电效应,即将两种不同的导体或半导体练成闭合回路,当两个接点处的温度不同时、回路中将产生热电势。

3.闭合回路的热电势：

温差电势接触电势接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度

4.T端称为测量端或热端，To端称为参比端或冷端。

热电偶产生热电势的条件：

两种不同的导体材料构成回路，两端接点处的温度不同。

（必考）

热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。

热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。

5.均质导体定则中间导体定则（中间导体两端温度要相同）

中间温度定则EAB（T,To）=EAB（T,TC）+EAB（TC,To）热电偶的分度表参比端温度为0℃

6.对热电极材料的要求：

热电性能稳定，物理化学性能稳定，热电特性呈线性或近似线性，价格便宜

掌握S、K型热电偶

7.普通型热电偶：

热惯性大，对温度变化的响应慢（绝缘管为瓷管）

凯装型热电偶：

热惯性小，对温度的变化响应快，挠性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合。

（绝缘材料为氧化镁或氧化铝粉末，套管材料多为不锈钢）

8.热电偶参比端温度的处理：

补偿导线法：

延长型：

化学成分与被补偿的热电偶相同；

补偿型：

化学成分与被补偿的热电偶不同；

参比温度测量计算方法；

E（T，0）=E（T，To）+E（To，0）分To等于0和To不等于0（重点）

参比温度恒温法；

补偿电桥法

4.2.2热电阻测温

1.原理：

金属导体的热胀冷缩

2.优点：

可远传、灵敏度高、无需参比温度。

金属热电阻稳定性高、互换性好、精确度高，可以用作基准仪表。

缺点：

需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。

3.铂热电阻

-250℃-650℃，分度号为Pt10（精度高）、Pt100（常用）、Pt1000（灵敏度高）

精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但价格贵。

4.铜热电阻

-40-150℃，线性好

5.热电阻引线方式

二线制引线电阻带来的附加误差

三线制消除引线电阻影响，提高测量精度

四线制用于高精度的温度测量

6.热敏电阻

正温度系数的热敏电阻：

电阻超过一定温度（居里温度）时随温度升高呈阶跃性的增大；

负温度系数的热敏电阻：

电阻随温度升高哦而减小。

4.3非接触式测温

1.E=εσT4（全辐射定律）

2.辐射测温仪表的组成：

光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等

3.表观温度：

亮度温度、辐射温度、比色温度

4．4光纤温度传感器

1.特点：

灵敏度高；

电绝缘性好，可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境；

体积小、重量轻、可弯曲；

可实现不带电的全光型探头。

2.液晶光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、半导体光纤温度传感器、光纤辐射温度计。

4.1国际实用温标的作用是什么？

它主要由哪几部分组成？

答：

由其来统一各国之间的温度计量。

国际温标由定义固定点、内插标准仪器和内插公式

4.2热电偶的测温原理和热电偶测温的基本条件是什么？

基于热点效应即将两种不同的导体或半导体练成闭合回路、当两个接点处的温度不同时、回路中将产生热电势。

基本条件：

两种不同的导体材料构成回路、两端接点处的温度不同。

4.3用分度号为S的热电偶测温，其参比端温度为20度，测得热电势E（t，20）=11.30mv，试求被测温度t。

因为E（t,20）=E（t,0）+E（0,20）

所以E（t,0）=E（t,20）-E（0,20）=E（t,20）+E（20,0）

因为E（t,20）=11.30mVE（20,0）=0.113mV

所以E（t,0）=11.413mV即t=115℃

4.4用分度号为K的热电偶测温，一直其参比端温度为25度，热端温度为750度，其产生的热电势是多少？

据题意所知所求电势E（750,25）=E（750,0）-E（25，0）

查K型热电偶分度表得E（25，0）=1.0002mvE（750,0）=31.1082mv

所以，E（750,25）=31.1082-1.0002=30.1080mv

4.5在用热电偶测温时为什么要保持参比端温度恒定？

一般都采用哪些方法？

若参比端温度不能恒定则会给测量带来误差

方法：

1.补偿导线法：

4.6在热电偶测温电路中采用补偿导线时，应如何接线？

需要注意哪些问题？

正接正，负接负。

注意的问题：

1.型号与极性不能接反2.补偿导线和热电偶相连的两个接点温度要相同，以免造成不必要的误差3.补偿导线要引到温度比较恒定的环境（机械零点补偿）4.不要和强电或其他干扰源，平行走线。

4.7以电桥法测定热电阻的电阻值时，为什么常采用三线制接线方法？

二线制：

传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。

而采用三线制会大大减小引线电阻带来的附加误差，提高精度。

4.8由各种热敏电阻的特性，分析其各适用什么场合？

适用场合：

电阻随温度升高哦而减小；

可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

4.9分析接触测温方法产生测温误差的原因，在实际应用中有哪些措施克服？

原因主要包括沿测温元件导热引起的误差和测温元件热辐射所引起的误差等；

为了减少误差,应注意材料和结构及安装地点的选择,并尽可能在测温元件外部加同温屏蔽罩，加强测温传热器与测温物体间的热联系。

4.10辐射测温仪表的基本组成是什么？

光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。

4.11辐射测温仪表的表观温度与实际温度有什么关系？

4.12某单色辐射温度计的有效波长λe=0.9µ

m，被测物体发射率ελT=0.6，测得亮度温度TL=1100℃，求被测物体实际温度？

已知普朗克第二常数C2=1.4387×

10-2m.k,λe=0.9µ

m,ελT=0.6,TL=1100℃=1373.5K。

1/TL-1/T=（λ/c2）ln（1/ελT）

代入数据得T=1436.55K=1163.05℃

4.13光纤温度传感器有什么特点？

它可以应用于哪些特殊的场合？

特点：

电绝缘性能好，可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境；

可实现不带电的全光型探头等。

可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境

5、压力检测

5.1压力单位

常用单位：

帕斯卡、公斤力、毫米水柱（水头）、毫米汞柱

1kgf/cm2=0.1Mpa

10m水深=1个大气压=1公斤压力

5.1.3压力检测的主要方法及分类

a、重力平衡方法液柱式压力计负荷式压力计（主要形式为活塞式压力计。

被测压力与加于活塞上的砝码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡物的重量来测量。

这种压力计测量范围宽、精确度高、性能稳定可靠、可以测量正压、负压和绝对压力，常用作压力校验仪表）

b、机械力平衡方法将被测压力经变换元件转换为一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力可以测知被测压力。

c、弹性力平衡方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。

d、物性测量方法基于在压力作用下，测压元件的某些物理特性发生变化的原理。

5.2常用压力检测仪表

5.2.1弹性压力计

a、测压弹性元件

弹性膜片：

一种外缘固定的圆形片状弹性元件。

波纹管：

由整片弹性材料加工而成。

灵敏度高、用于测量较低压力或压差

弹簧管：

一根弯成圆弧状的、具有不等轴截面的金属管。

刚度较大、主要测高压

b、弹簧管压力计

弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表

优点：

现场指示、就地指示、结构简单、使用方便。

价格低廉、测量范围广、应用十分广泛。

缺点：

只能做现场指示

c、波纹管压差计

采用膜片、膜盒、波纹管等弹性元件制成的压差计。

灵敏度高、用于测量较低压力或压差

缺点:

要避免单侧压力过载

d、弹性测压计信号的远传方式

电位器、霍尔元件（仪表结构简单、灵敏度高、寿命长；

但对外部磁场敏感，耐振性差）、电感式、差动变压器式

5.2.3压力传感器

a、应变式压力传感器

基于导体和半导体的“应变效应”，即单导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻阻值将发生变化。

优点：

精度较高、测量范围可达几百兆帕、引入惠思登电桥，温度对其影响较小，适用于温度较高的地方

。

b、压阻式压力传感器

基于半导体的压阻效应（压力硅）

灵敏度高、体积小。

长期稳定性差、受温度影响大

c、电容式压力传感器

将弹性元件的位移转换为电容量的变化。

以测压膜片作为电容器的可动极板。

结构坚实、灵敏度高、过载能力大、精度高、可以测量压力和压差。

d、振频式压力传感器

利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。

体积小、输出频率信号，重复性好、耐振、精确度高、适用于气体测量。

e、压电式压力传感器

利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。

是动态压力检测中常用的传感器。

体积小、结构简单、工作可靠、频率响应高、不需外加电源

输出阻抗高，需要特殊信号传输导线、温度效应较大、是动态压力检测中常用的传感器，不适用测量缓慢变化的压力和静态压力。

5-1简述压力的定义，单位及各种表示方法

答：

单位面积收到的力；

垂直作用在单位面积上的力，其单位为Pa，（P=F/S）

表示方法：

绝对压力：

被测介质作用在容器表面积上的全部压力

大气压力：

由地球表面空气柱重量形成的压力

表压力：

通常压力测量仪表是处于大气中，其测得的压力值等于绝对压力和大气压力之差。

真空度：

当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值称为真空度。

差压：

设备中两处的压力之差。

5-2

101.325-0.05=101.275Mpa101.325+0.3=101.625Mpa350kpa

5-3弹性式压力计的测量原理是什么？

常用的弹性原理有哪些？

利用弹性元件的弹性变形特性进行测量；

膜片、膜盒、波纹管、弹簧管

（1）测压原理：

利用弹性元件的形变与压力之间存在着确定的关系而测量压力，即在进行测量时，管内引入被测压力，在压力作用下，弹管使自己内部体积向增大方向形变固使弯曲的管子力趋伸直，结果使弹簧管自由端产生一定大小的位移，这个位移大小与压力有关。

（2）弹性元件类型：

弹性膜片：

这是一种外缘固定的圆形片状弹性元件。

膜片的弹性特征一般由中心位移与压力的关系表示。

波纹管：

其由整片材料加工而成，是一种壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭的薄闭圆管。

弹簧管：

是一根完成圆弧状的具有不等轴截面的金属管。

5-4

电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式

5-5

相同点：

都是压力引起电阻阻值变化；

不同点：

应变式为金属丝，压阻式为半导体。

5-6

5-7

振频式压原理：

压电式原理：

利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号优点：

体积小、结构简单、工作可靠、频率响应高、不需外加电源缺点：

5-8

1、取压点位置和取压口形式2、引压管路的敷设3、测压表仪表的安装

5.11、简述测压仪表的选择原则

类型：

其应满足生产过程的要求（需了解被测介质的情况，现场环境及生产过程对仪表的要求）

为保证测压仪表安全可靠的工作，仪表量程需根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况等条件来选取。

测量精度：

生产过程中元件的被测压力的最大绝对误差应小于仪表的基本误差，可在规定的精度等级中确定仪表的精度。

测量压差的仪表适应注意工作压力的选择，应使其与被测对象的工作压力相对应。

5-12

由题意可知，测量范围为0.5-1.4Mpa相对误差为5%

根据测量范围可得，量程应选0-2.5Mpa

相对误差为5%假设示值为100误差为5最大引用误差=（5/2.5）%=2%

所以精度为2，参照题中给出的精度，选精度为2.5级。

6流量检测

表6-1流量计分类（常用流量检测方法容差式

、速度式

）

体积流量检测方法

（一）、容积式流量计

1、椭圆齿轮流量计

1）椭圆齿轮流量计适用于高黏度液体的测量，在使用时注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长使用寿命。

2）使用要求紧密配合，有一定压力，加过滤器。

2、腰轮流量计

1）腰轮流量计可以测量液体和气体，也可以测量高粘度流体。

2）腰轮流量计较椭圆齿轮流量计的明显优点是能保持长期稳定性。

（二）、差压式流量计

1、节流式流量计

1）结构简单，无可动部件，可靠性较高，复现性能好。

2）适用于各种工况下的单相流体，适用管道直径范围宽。

3）缺点是流量计前后要求较长直管段，测量范围窄，压力损失大。

2、标准节流装置

标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管

1）标准孔板

标准孔板结构简单，体积小，加工方便，成本低。

但其精度较低，压力损失大，只能用于清洁的流体。

2）标准喷嘴

标准喷嘴压力损失较小，测量精度较高，一般用于高速蒸汽流量测量。

但它结构复杂，体积大，加工困难，成本较高。

3）文丘里管

明显减少压力损失，有较高的测量精度，可以用于脏污流体的流量测量并在大管径流量测量运用较多。

但它加工困难，成本最高，一般用在有特殊要求的场合如低损失，高精度测量。

4）标准节流装置的使用条件

节流装置仅适用于圆形测量管道，在节流装置前后直管段上，内壁表面应无可见坑凹、毛刺、和沉积物，对相对粗糙度和管道圆度均有规定，管径大小也有一定限制（D最小≥50mm）

3、均速管流量计

1）结构简单，便于安装，价格便宜。

压力损失小，能耗少，准确度及长期稳定性较好。

适用于大口径管道流量测量。

2）产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计，被测流体中不能含有固体粉尘和固体物，在测量脏污流体时，建议用清洁流对其定时清洗。

4、弯管流量计

1）结构简单，安装维修方便，在弯管内流动无障碍，没有附加压力损失，对介质条件要求低。

2）缺点是差压非常小。

5、靶式流量计

1）靶式流量计结构简单，维护方便，不易堵塞，适用于测量高粘度、高赃污及有悬浮固体颗粒介质的流量

2）其缺点是压力损失较大，测量精度不高。

6、浮子流量计（力平衡公式

1）可以测量多种介质的流量，更适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。

2）其特点是结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失较小，测量范围比较宽。

3）但仪表测量受介质的密度、黏度、温度、压力、纯净度影响，也受安装位置影响。

（三）、速度式流量计

1、涡轮流量计

1）涡轮流量计可以测量气体、流体流量。

但要求被测介质清洁，并且黏度大的液体流量测量，通常用于测量精度要求高，流量变化快的场合。

2）涡轮流量计的缺点是制造困难，成本高，轴承易磨损，降低了长期运行的稳定性。

2、涡街流量计

1）适用于气体、液体、和蒸汽介质的流量测量，测量几乎不受流体参数影响，涡街流量计在仪表内部无可动部件，使用寿命长。

压力损失小，测量精度也比较高。

2）涡街流量计的不足之处，主要是流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，旋涡发生体被玷污也会引起误差。

3、电磁流量计

1）电磁流量计要求被测介质具有导电性，不能测量气体、蒸汽和电导率低的石油流量。

2）电磁流量计的测量管道中无阻力件，压力损失小；

测量范围宽；

可以测量脉动流和双相流。

质量流量检测方法

（一）、直接式质量流量测量方法

1、科里奥利质量流量计

1）可以测量多种液体和浆液，也可以用于多相流测量；

2）不受被测介质物理参数影响，不受管内流态影响，对流量计前后直管段要求不高。

3）阻力损失较大，存在零点漂移，管路的振动会影响其测量精度。

2、热式质量流量计

1）适用于微小流量测量。

2）热式质量流量计结构简单，压力损失小。

3）非接触式流量计使用寿命长。

4）缺点是灵敏度低，测量时需要进行温度补偿。

3、冲光式流量计

1）冲光式流量计结构简单，安装方便，使用寿命长，可靠性高，没有零点漂移。

2）适用于各种固体粉料介质的流量测量。

（二）、间接式质量流量测量方法

1、体积流量计与密度计的组合方式

2、体积流量计与体积流量计的组合方式

3、温度、压力补偿式质量流量计

思考题

6-1简述流量测量的特点和流量测量仪表的分类。

1）流量测量可以归为体积流量测量和质量流量测量两类

2）流量测量仪表分为体积流量计和质量流量计；

体积流量计包括容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计；

质量流量计包括推导式质量流量计和直接式质量流量计

2特点流量方程式

，

流量计的仪表系数

与流出系数

流量范围及范围度

测量精确度和误差

压力损失

仪表分类：

体积流量计：

容积式，差压式，速度式

质量流量计：

推导式，直接式

6-2以椭圆齿轮式流量计为例，说明容积式流量计的工作原理。

椭圆齿轮流量计的测量本体友一对相互齿合的椭圆齿轮和仪表壳体构成、其工作原理如图、两个椭圆齿轮A/B在进行出口流体压力差的作用下、交替地相互驱动、并各自绕轴作非角匀速度转动、转动过程中连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体一份份地排出、齿轮的转数可以通过机械或其它的方式测出、从而可以得知流体总流量

6-3简述几种差压流量计的工作原理。

节流式流量计：

节流式流量计测量原理是以能量守恒定律和流动连续性定律为基础

均速管流量计：

是基于动压管测速原理发展而成的一种流量计，流体流经均速管产生差压信号，此差压信号于流体流量有确定的关系，经过差压计可测出流体流量。

弯管流量计：

当流体通过管道弯头时，受到角加速度的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧于内半径侧之间形成差压，此差压的平方根于流体流量成正比。

6-4节流式流量计的流量系数与哪些因素有关？

流量系数与节流件形式、直径比、取压方式、流动雷诺数及管道粗糙度有关

6-5简述标准节流装置的组成环节及其作用。

对流量测量系统的安装有哪些要求？

为什么要保证测量管路在节流装置前后有一定的直管段长度？

（p76）

6-6当被测流体的温度、压力值偏离设计值时，对节流式流量计的测量结果有何影响？

6-7、用标准孔板测量气体流量，给定设计参数p=0.8kPa，t=20

，现实际工作参数p₁=0.4kpa，t₁=30

，现场仪表指示为3800

/h，求实际流量大小。

6-8、一只用水标定的浮子流量计，其满刻度值为1000d

/h，不锈钢浮子密度为7.92g/

，现在用来测量密度为0.79g/

的乙醇流量，问浮子流量计的测量上限是多少？

6-9、说明涡轮流量计的原理。

某一涡轮流量计的仪表常数为K=150.4次/L，当它在测量流量时的输出频率为f=400Hz，其相应的瞬时流量时多少