自动检测技术及仪表控制系统第三版部分思考题答案

基本知识引论课后习题1.1检测及仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 在控制系统中起什么作用，两者关系如何？检测单元完成对各种参数过程的测量，并实现必要的数据处理；仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被控变量的调节。关系：二者紧密相关，相辅相成，是控制系统的重要基础1.2典型检测仪表控制系统的结构是怎样的，各单元主要起什么作用？被控——检测单元——变送单元——显示单元——操作人员对象——执行单元——调节单元—作用：被控对象：是控制系统的核心检测单元：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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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？测量范围：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。量程：用来表示仪表测量范围的大小。关系：量程=测量上限值-测量下限值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。关系：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。温度检测课后习题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：作用：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？答：原理：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。答：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？答：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)=1.0002mvE750,0）=31.1082mv所以，E（750,25）=31.1082-1.0002=30.1080mv4.5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？答：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：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；参比温度恒温法；补偿电桥法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？答：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1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？答：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， 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其各适用什么场合？答：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；适用场合：负温度系数的热敏电阻：电阻随温度升高哦而减小；适用场合：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？答：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？答：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？答：4.12某单色辐射温度计的有效波长λe=0.9μm，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？-2答：已知普朗克第二常数C2=1.4387×10m.k,λe=0.9μm,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？答：特点：灵敏度高；电绝缘性能好，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等。适用场合：可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境5、压力检测课后习题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；帕斯卡、公斤力、毫米水柱（水头）、毫米汞柱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答：101.325-0.05=101.275Mpa101.325+0.3=101.625Mpa350kpa5-3弹性式压力计的测量原理是什么？常用的弹性原理有哪些？答：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答：电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式5-5答：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答：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。5-7答：振频式压原理：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。优点：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。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2可靠、频率响应高、不需外加电源缺点：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。5-8答：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 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 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）量程：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答：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。流量检测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。答：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）答：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错误！未找到引用源。，现实际工作参数p?=0.4kpa，t?=30错误！未找到引用源。，现场仪表指示为3800错误！未找到引用源。/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错误！未找到引用源。/h，不锈钢浮子密度为7.92g/错误！未找到引用源。，现在用来测量密度为0.79g/错误！未找到引用源。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？6-10、说明电磁流量计的工作原理，这类流量计在使用中有何要求。答：1）电磁流量计是基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电动势，感应电动势的大小与流体速度有关，通过测量次电动势可以求得流体流量。）电磁流量计对直管段要求不高，直管段长度为5D-10D；安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流強磁qvdVdt场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表；水平安装时，两个电极要在同一平面上。电磁流量计适用于导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？电性介质的流量测量。6-11、涡街流量计的检测原理是什么？常见的漩涡发生体有哪几种？如何实现旋涡频率检测？答：（1）涡街流量计的检测原理是利用流体振荡的原理进行流量测量、当流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的旋涡列、旋涡的产生频率与流体留宿有着确定的对应关系、测量频率的变化。就可得知流体的流量、（2）常见旋涡发生体的形状有圆柱、三角柱、矩形柱、型柱以及由以上形状组合而成的组合形状3）旋涡频率的检出有多种方式、可分为一体式和分体式两类、一体式的检测元件放在旋涡发生体内、如热丝式分体式检测元件则装在旋涡发生体下游、如、压电式均利用旋涡发生时引起的波动进行测量、旋涡频率采3用热敏电阻检测方式、在三角主体的迎面对称嵌入两个热敏电阻、通入恒定电流加热电阻、使其温度稍高于流体、在交替产生旋涡的作用下、两个电阻被周期的冷却、使其阻值改变、阻值的变化有电桥测出、即可测得旋涡产生频率、从而知流量6-12、说明超声流量计的工作原理，超声流量计的灵敏度与哪些因素有关？答：1）超声流量计是利用超声波在流中的传播特性实现流量测量。超声波在流体中传播，将受到流体流速的影响，检测接收的超声波信号可以测知流速，从而求得流体流量。6-13、质量流量测量有哪些方法。答：直接测量和间接测量直接式质量流量计：仪表的输出直接与质量流量成正比推导式质量流量计：通过对体积流量和密度的同时测量，然后把结果送入计算单元，通过运算求出质量流量。温度，压力补偿式质量流量计：同时测出体积流量，温度和压力，由温度和压力等参数和密度的关系，通过运算装置算出介质密度，再算出质量流量。6-14、为什么科氏流量计可以测量质量流量？（p89）6-15、说明标准流量装置的作用，有哪几种主要类型？答：标准容积法、标准质量法、标准流量计法、标准体积管法。物位检测课后习题7-1常用液位测量方法有哪些？1）压力式液位计：根据静止介质的某一点所受压力与此点上方的介质高度成正比，利用压力表来显示其高度。（2）直读式：直接是用与被测容器连通的玻璃管来显示容器内的物位高度，或在容器上开有窗口直接观察物位高度。（3）浮力式：利用漂浮在液面上的浮子的位置随液位的变化来测量定位。（4）电气式：将物位的变化转换为某些电量参数的变化而进行间接测量。5）声波式：由于物位的变化引起的声波的遮断。（6）光学式：利用物位对光波的遮断和反射原理进行测量。7）核辐射式：放射性同位素放出的射线被中间介质吸收而减弱。7-2对于开口容器和密封压力容器用差压式液位计测量时有何不同？影响液位计测量精度的因素有哪些？对于开口容器，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映相应的液位静压。对于密封压力容器，可用差压计测量液位。差压式的正压侧与容器底部相通，负压侧连接容器上部的空间。可求液位高度。因素：液位计本身的精度、以及液位的温度对其密度的影响、物料本身性质如温度、粘度、液面的稳定、料面是否规则。7-3利用差压变送器测量液位时，为什么要进行零点迁移？如何实现迁移？1）进行零点迁移的原因：由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器的最低液位处在同一高度上，因此，在测量液位是，仪表的量程范围内会有一个不变的附加值。2）如何实现：对感压原件预加一个作用力，将仪表的零点迁移到与液位零点相重合，即实现零点迁移。7-4恒浮力式液位计与变浮力式液位计的测量原理有什么异同点？在选择浮筒式液位计时，如何确定浮筒的尺寸和重量？恒浮力式液位计和变浮力式液位计都属于浮力式物位检测仪表，都是基于力的平衡原理，利用液体浮力进行液位的测量。恒浮力式是靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的；而变浮力式则是靠液面升降对物体浮力改变反映液位的变化。在选择浮筒式液位计时，要依据其测量原理选择浮筒的尺寸和质量。设浮筒的重力为G，浮力为W，则悬挂点所受重力F=G-W，D2又知浮力W为WgH4故：FGWGD2gH4式中，D为浮筒的直径5；为被测液体的密度；H为浮筒浸入液体部分的高度。因此浮筒所受重力F与液位呈线性关系，液位越高，力越小。为了提高灵敏度，应使H前的系数尽可能大，所以浮筒的直径D也是越大越有利。而且，为了有较大的量程，浮筒的长度L也要尽可能大。关于浮筒的质量选取依据零点消失原则进行。7-5物料的料位测量与液位测量有什么不同的特点？4从概念上说，物料的料位是指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度，其是针对固体进行测量；而液位是指设备和容器中液体介质表面的高低，其是针对液体的测量。由于测量对象性质的不同，在测量方法的选取上也有所不同。一般所有的物质检测方法和物位检测仪表都可以进行液位的测量，而只有机械接触式、电气式、超声式、核辐射式等适用于料位测量。故在测量方法和测量仪表的选取上，料位相对于液位有一定的局限性。7-6电容式物位计、超声式物位计、核辐射式物位计的工作原理，各有何特点？1）电容式：基于圆筒形电容器的电容值随物位而变化。（2）超声式：利用回声测距原理，由发射探头发出的超声脉冲，在介质中传到界面反射再返回到操头接受。（3）核辐射式：以核辐射式的穿透性和物质对射线的吸收特点为基础，实验证明，射线等穿透物质后，其强度随物质层的厚度呈现指数规律衰减。机械量检测机械量包括长度、位移、转角、转速、力、力矩、振动等。其中直线位移是机械量基本的参数。如：表8-18.1模拟式位移检测方法有：电容式位移检测、电感式位移检测、差动变压器位移检测、光纤位移检测、光学数字式位移检测（光栅标尺、CCD图像传感元件）8.1.1电容式位移检测（CS）d变极距法（变d）变面积法（变S）在两个固定极板之间设置可动极板（变ε）8.2.1电感式位移检测方法电感式位移传感器分自感式和互感式。电感式位移检测与电容式位移检测都是与被检测对象非机械接触的检测方法。8.1.3差动变压器位移检查方法（是互感式位移检测方法）P1068.1.4光纤位移检测方法（利用光纤检测位移的一种方法）随着被检测物体的位移变化，重叠部分的光强发生变化，根据光强信号检测位移。8.2光学数字式位移检测—（光栅尺）数字式位移检测室利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换为脉冲个数或二进制符号的方法，如光栅标尺、容栅标尺等。8.2.1光栅标尺（P107）CCD图像传感元件（P109）8.3转速检测（重要指数：两颗星）方法：离心力检测法，光电码盘转速检测法，空间滤波器式检测法。离心力检测法原理：质量m的重物旋转时受到离心力远离主轴，这将克服弹簧力向上拉套筒，套筒升降通过齿轮带动指针转动，从而直接读数。精确度：上下1%（核心思想：离心力——弹簧力——套筒升降——齿轮带指针转动——读数）光电码检测法：将对转速的测量转化为脉冲序列，统计单位时间内的脉冲数，通过脉冲个数测量转角即得到转速。空间滤波器式检测法特点：不需要在旋转物体上或周围做任何记号，多用于检测不规则物体的移动速度。8.4力检测（重要指数：两颗半星）本章主要检测方法：金属应变元件，半导体应变元件，压电效应，压敏导电橡胶（1，2相对较重要。）力检测主要原理基础：弹性元件受力作用时将发生弹性形变，弹性体变形导致电阻值变化，电阻通电转化为电压，测电压即可求得对应力的大小。金属应变元件原理：在拉伸力的作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻率变化。注：给金属丝通电流，测电压即可测得电阻，对应即可知道应力。半导体应变元件原理：元件受力形变，应变对元件电阻率大幅度变化，从而导致电阻的改变，将元件通电流，测元件两段电压，通过电压的改变即可推断力的大小。优点：反应灵敏，体积小，广泛用在压力传感上。缺点：温度依赖性大，需要电路补偿，价格高。压敏导电橡胶原理：元件受力变形电阻变化，通电，测电压，即反推得到力的大小。成分分析仪表成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。一、成分分析方法及分类(p117)成分分析的方法有两种类型：一种是定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法；另一种是利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表。目前，按测量原理分类，成分分析仪表有以下几种型式：电化学式：如电导式（EC），电位式，酸度计，离子浓度计等。热学式：如热导式、热谱式、热化学式等。磁学式：如磁式氧气分析仪、核磁共振分析仪等。5射线式：如X射线分析仪、γ射线分析仪、同位素分析仪、微波分析仪等。光学式：如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射、光干涉式光学分析仪等。（分光仪、比色仪）电子光学式和离子光学式：如电子探针、离子探针、质谱仪等。色谱式：如气相色谱仪、液相色谱仪等。物性测量仪表：如水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计等。其他：如半导体气敏传感器。二、自动分析系统（检测器是分析仪表的核心）1、自动分析系统通常是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证其良好偶的环境适应性和高的可靠性以使分析仪表的示值能代表被监测的成分。2、自动取样装置的作用是从生产设备中自动、快速的提取待分析样品。预处理系统可以采用冷却、加热、气化、减压、过滤等方式。取样和试样的制备必须注意避免液体试样的分馏作用或气体试样中某些组分被吸附的情况。三、几种工业用成分分析仪表1、热导式气体分析器：利用不同气体导热特性不同的原理进行分析。优点有机构简单、工作稳定、体积小。（热导式气体分析器的核心是测量室）（1）经实验测定，气体中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的导热能力较弱。气体的导热率还与气体的温度有关。2）热导式气体分析器的核心是测量室，称为热导池。热导池是用导热良好的金属制成的长圆柱形小室，室内装有一根丝的铂或钨电阻丝，电阻丝与腔体有良好的绝缘。热导池有不同的结构型式，目前常用的是对流扩散式结构型式。热导式分析仪表通常采用桥式测量电路。四、氧化锆氧分析器（1）氧化锆氧分析器是属于电化学分析方法，这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、相应快、测量范围宽（从10ˉ6到百分含量），而且不需复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。（2）氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池（原电池）。氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。浓差电池的左侧为被测气体，右侧为参比气体，参比气体一般为空气。（3）氧化锆分析器正常工作的必要条件：a、工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节，一般工作温度保持在T=850oC，此时灵敏度最高，工作温度变化直接影响氧浓车电势E的大小，传感器还应有温度补偿环节。b、必须要有参比气体，参比气体的氧含量稳定不变。二者氧含量差越大，仪表灵敏度越高。C、参比气体与被测气体压力应该相等。3）氧化锆分析器的安装方式有直插式和抽吸式。五、半导体气敏传感器半导体气敏传感器是采用半导体材料为敏感材料制成的一种气敏传感器类型。这类传感器可以通过在半导体材料中添加各种催化剂来改变其主要敏感对象，但却很难消除对其他共存气体的影响,并且它信号线性影响的范围窄，一般只用于定性及半定量范围的气体检测。半导体气敏传感器按照半导体的物性变化特点，可分为电阻型和非电阻型两类。气敏传感器一般由气敏元件、加热器和封装体等部分组成。气敏元件从结构型式来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。六、工业酸度计1、工业酸度计属于电化学分析方法。溶液的酸碱性可以用氢离子浓度[错误！未找到引用源。]的大小来表示。一般用pH值来表示溶液的酸碱度，定义为：pHlg[H]与之相应有：pH=7为中性溶液，pH>7为碱性溶液，pH<7为酸性溶液。（1）pH值得检测采用电位测量法。测量pH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的pH测量电池。参比电极的电位是一个固定的常数。电池的电势为参比电极和测量电极间电极电位的差值。根据能斯特公式有：式中，E为电极电势，V；R为气体常数，R=8.314J/(mol·K)；T为热力学温度，K；F为法拉第常数，错误！未找到引用源。；pHx为被测溶液的pH值。2）工业用参比电极一般为甘汞电极或银–氯化银Ag/AgCl）电极。(p129)3）玻璃电极是使用最为广泛的测量电极。七、湿度的检测1、湿度是表示空气中水汽含量的物理量。1）湿度可用绝对湿度和相对湿度两种方法表示：绝对湿度是指单位体积湿气体中所含的水汽质量数，单位为错误！未找到引用源。；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量与相同条件下饱和水汽质量之比，用百分数表示。2）湿度的检测方法有露点法、毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。对湿度传感器的要求：工作可靠，使用寿命长，有较快的响应速度，受温度影响小，互换性好，制造简单，价格便宜。八、干湿球湿度计干湿球湿度计的使用十分广泛，常用于测量空气的6相对湿度。它由两支温度计组成，一支温度计用来直接测量空气的温度，称为干球温度计；另外一支温度计在感温部分包有被水浸湿的棉纱吸水套，并经常保持湿润，称为湿球温度计。式中，错误！未找到引用源。为相对湿度；错误！未找到引用源。为干球温度下得饱和水汽压；错误！未找到引用源。为湿球温度下的饱和水汽压；错误！未找到引用源。为湿空气的总压；错误！未找到引用源。为干球湿度；错误！未找到引用源。为湿球湿度；错误！未找到引用源。为仪表常数，它与风速和温度传感器的结构因素有关。1、陶瓷湿敏传感器陶瓷材料化学稳定性好，耐高温，便于用加热法去除油污。多孔陶瓷表面积大，易于吸湿和去湿，可以缩短响应时间。陶瓷传感器的感湿机理一般是利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿，使电极间的电阻值随相对湿度而变化。这类传感器的制作型式可以为烧结式、膜式及MOS型等。这类元件的特点是体积小，测温范围宽，可用于高温，最高可达600℃，能用电加热反复清洗，响应速度快，长期稳定性好。课后习题9-1、在线成分分析系统为什么要有采样和试样预处理装置？采样和试样预处理装置可以保证在成分分析系统良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的视值能代表被监测的部分。采样装置的作用是从生产设备中自动、快速的提取待分析样品；预处理装置可采用多种方式对采集的样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样。9-2、简述热导式体分析器的工作原理，对测量条件有什么要求？工作原理：由于气体组份含量的不同，混合气体导热能力将发生变化，利用混合气体导热能力的差异进行含量分析。要求：实际测量中，要求混合气体中背景组分的导热率必须近似相等，并与被测组分的导热率有明显的差别，对于不能满足这一要求的气体可采用预处理的方法。9-3机理为：红外线气体分析器属于光学分析一表中的一种。它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的。一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置组成。9-4氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。浓差电池内在氧化锆陶瓷体的两侧烧结一层多孔铂电极，当两侧气体的含氧量不同时，在两极间将产生浓差电势。条件要求为：工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节；必须要有参比气体，参比气体的氧含量稳定不变；参比气体与被测气体压力应该相等。9-5基本环节有分析环节和分离环节。9-6、半导体气敏传感器有哪几种类型？半导体气敏传感器的类型按照半导体的物位变化特点，可分为电阻型和非电阻性两类。按照半导体与气体的相互作用是在其表面或内部，又可分为表面控制型和体控制型两种。9-7直接电位法测量溶液酸度就是用pH测量电池进行测量，测量电极插入溶液中会与溶液产生电极电势，电池的电势为参比电极与测量电极间电极电位的差值，其大小就代表溶液中氢离子浓度，即溶液酸度。9-8、简述湿度测量的特点，常用的湿度测量方法有哪些？湿度测量的方法很多，传统的方法是露点法，毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。工业过程的检测和控制对湿敏传感器有一下要求：（1）工作可靠，使用寿命长；2）在气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着的影响；（3）满足要求的湿度测量范围有较快的相应速度；4）能在-30°~100°c的环境温度下使用，受温度影响较小；（5）互换性好，制造简单，价格廉价。仪表系统分析表10-1DDZ-II型和DDZ-III型仪表的比较(p137)仪表系统数学模型的类型有：时域模型，频域模型，离散模型。思考题与习题常用仪表是如何进行分类的？各有什么特点？①按使用性质分为标准表（用于校验非标准仪表使用，经过了计量部门的定期检定并具有合格证书）、实验室用表（用于科学实验研究）、工业用表（长期安装使用在工业生产中）②按测量方式分为直读仪表（可以直接读取被测量值）和比较仪表（采用某种方式通过未知量雨已知量相比较而得出被测量值）③按原理性连接方式分为串联（各功能模块首尾相接前后串联）、反馈（某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈作用）④按信号传输方式分为电动仪表（以电量为传输信号，信号可远传，但无特殊处理措施，会引起活在和爆炸）、气动仪表（使用压缩空气来传输信号，反应动作慢，投资大）⑤按组成方式分为基地仪表（通用性差）、单元组合式仪表（只完成单一功能，但是比较灵活）、组件组装式仪表（可根据需要选择多个插件，常用在计71的关系不大、因此可以根据式算机控制系统中）⑥按安装使用方法分为现场安装仪表（防爆，防腐，抗震）、盘后架装仪表（无显示功能，无操作需要）、盘装仪表（同时具有显示功能和操作功能）以上三种是常用工业用表、台式仪表（实验环境）、携带式仪表（野外工作环境）⑦按防爆能力分为普通型仪表（用于非危险场所）、隔爆型仪表（可防燃烧、爆炸、防腐、防震等）⑧按运算处理方式分为模拟式仪表（信号为模拟信号）、数字式仪表（信号为数字信号）2．仪表各功能模块的链接方式有哪两种？其主要的区别是什么？有串联和反馈，区别在于串联是各功能模块首尾相接前后串联，反馈是某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈作用10-3、DDZ-II型和DDZ-III型电动单元组合仪表的主要外特性是什么？（表10-1）p137[重点题]（1）DDZ-II型电动单元组合仪表的主要外特性：DDZ-II型系列仪表采用了印制电路等工艺，是以晶体管元件为主体的各单元之间的联络信号约定为0~10mA，电源采用交流220v，各单元的精度为0.5级。由于采用了电流作为仪表间的联络信号，因而信号在传达过程中能保持恒值而不易受到传输电线电阻的变化的影响，且适合于远距离传送。此时变送和计算单元能承受的负载电阻一般为0~1.5千欧，给定和调节单元能承受的负载电阻一般为0~3千欧。电流信号的引入还有利于与磁场作用产生机械力，以便于利用力平衡原理实现各种功能。同时，电流信号有利于多个单元的串接，并能保证各接收信号的一致性。此外电流信号从口开始，便于模拟量的运算。2）DDZ-III型系列仪表是以线性集成电路为主要元器件。各单元之间的联络信号采用国际统一信号制的4~20mA直流电流进行远传，并保留了室内1~5v电流电压的联络信号，电源采用直流24v单电源供电。DDZ-III型仪表采用国际统一信号制的4~20mA直流电流进行远传，主要是为了克服其电流制式的缺陷，即无法判断线以及不易避开元件的死区和非线性区。由于III型仪表的输入阻抗较大，因而用过250欧的电阻即可方便的将信号传递。此外，直流24v供电模式的采用，使单电源集中供电得以实现。同时，正因为采用了直流24v低压供电，并附以安全栅等措施，才使III型仪表具备了安全的防爆能力。4．对常用仪表的输入输出特性进行线性化处理有哪些方法？串联式仪表的非线性特征是可以通过多串接一个非线性环节、并适当选择该环节的非线性、使其能够补偿前面个非线性环节所造成的非线性特征、从而是整体仪表线性关系。对于反馈式仪表、当反馈是仪表的环节有足够大的稳态放大倍数时、其输入输出特性主要取决于环节上而与环节K=Y/U~~Y/F=1、K1、所描述的倒数关系、对该类仪表进行线性化处理。（具体详见课本138—139）在分析仪表特性时，在什么情况下需要使用离散模型？在使用数字化离散效果的数字仪表时需要在仪表特性时域分析中的稳态误差是如何定义的？它在特性分析中起何种作用？当系统从一个稳态过度到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。作用，控制系统的输出响应在过渡过程结束后的变化形态称为稳态。稳态误差为期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小说明控制精度越高。因此稳态误差常作为衡量控制系统性能好坏的一项指标。7．如何建立由多台仪表组成的混合仪表系统模型？如何进行混合仪表系统的时域和频域分析？建模时候，思路与单一仪表输入一样，只是输入量变为p维，且状态变量维数由各仪表的传递函数结束所决定，它等于系统中各仪表传递函数的总和。特别地，当所有单一仪表都是0阶系统（比例环节）时，混合仪表系统不包含中间状态变量X时，则10—39展开式可把含X变量的都除去。时域分析，运用阶跃扰动的方法进行分析即通过分别当独对每一输相对于个输入通道的响应特性，再综合分析所有的响应结果，即可得到结果。频域分析，主要采用正弦扰动的方法分析一般混合仪表系统的过渡过程，也可用Bode图方法分析用频域方法对仪表进行特性分析时可获得哪些特性？可获得仪表的稳定性并确定其工作频率范围9．仪表系统的时域模型、频域模型、离散模型之间存在什么关系？彼此间如何进行转换？时域是指信号的幅度随时间变化的曲线，横轴是时间，纵轴是信号的幅度，一般的正弦波比如f(t)=sinwt就是时域曲线。频域曲线是指信号的幅度与频率的关系，函数比较复杂，可能是不连续的。这两个时间用高等数学中的傅立叶变换进行转化，也就是时域波形函数进行傅立叶变换后就成了该信号的频域函数。这东西很难用坐标表示，因为之间的关系不是简单的线性函数关系。比如时域中的简单正弦波形，在频域中就是一根垂直于x轴的线（y轴上有幅度，非无限）而已，但如果波形变了，比如方波，那频域上就一是一组复杂的滚降波形了。；离散模型可以看做是对连续的时域或频域模型进行力三处理所得。关系：（时域模型拉氏变换——→频域模型）进行离散处理——→离散模型变送单元8变送单元：是将各种过程参数装换成相应的统一标准信号。11.1常用变送器工作原理1、力矩平衡式原理（主要应用在差压变送器）2、桥式电路原理（以非平衡式电桥为主）3、差动方式原理11.4新型变送器数字式变送器特点：（1）数字式变送器种类多，输入传感器多（2）线性化精度高（3）量程可变[程控]（4）输出[4-20mA]数字输出通道（5）运算速度快模拟式变送器：（1）输入传感器单一（2）量程不可变图11-23数字式变送器结构示意课后习题11-1为什么说变送器是工业过程自动化的重要组成部分？变送器是检测单元，感知信号的输入，转换成相应的标准信号；只有获得了精确和可靠地过程参数，才能进行准确度数据处理，进而实现满意的控制效果。11-6热电偶和热电阻温度变送器在输入电路中采用了什么方法实现线性化？热电偶：在反馈回路上采用各段斜率不等的线段连成折线构成，利用并联电阻来改变各段斜率，而各段间的拐点则靠基准电压的数值绝对。热电阻：由于热电阻的特性曲线常呈现上凸函数关系，即阻值的增加随温度的升高而逐渐减小，电路采用了直接将反馈电压转换成电流，直接注入环节的方法。11-8一台Ⅲ型温度变送器，量程400-600℃，当温度从500℃变化到550℃时，输出如何变化？根据量程400-600℃与输出4-20mA成线性关系，有TI4得400(600400)204I112mA和I216mA11-9数字式变送器有什么特点？特点：（1）数字式变送器种类多，输入传感器多（2）线性化精度高（3）量程可变[程控]（4）输出[4-20mA]数字输出通道（5）运算速度快显示单元12.1.2电位差计式自动平衡原理1）自动电位差计适合对直流电压或由直流电流转换成的电压进行自动测量的处理；2）自动电位差计是利用电动势平衡的原理实现显示和记录功能的。图12-3自动点位差计原理图P163课后习题12-1显示仪表在过程自动化的作用是什么？将重要参数、数据显示输出、记录，供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态。12-2.采用开环式和闭环式的显示仪表有什么区别？主要应用范围是什么？开环式模式的显示仪表由测量电路和数据处理两部分环节组成、数据处理环节一动圈式指示为代表、一般是通过机械机构达到平衡状态的、闭环式模式的显示仪表可以保持显示的精确可靠以及仪表的响应特性、可以实现测量与显示自动完成、同时能够自动跟踪测量过程中平衡状态的变迁应用范围：开环以动圈式仪表为代表、闭环主要应用在带自动平衡的显示仪表中。12-3常用在显示仪表中的工作原理有哪些？电位差计式自动平衡原理：利用电动势平衡的原理实现显示和记录功能。适合对直流电压或直流电流转换成电压进行自动测量的处理。图12-3电桥式自动平衡原理:常用于敏感电阻做传感器对被测参数的测量。原理图12-4差动变压器式自动平衡原理：主要与差动变压器式测量机构配套使用。原理图12-512-6数字式显示仪表的特点是什么？显示精度高，显示方式多元化，记录无纸化，记录传输方便。12-7模拟显示仪表是如何发展变换成数字式显示仪表的？数字技术的进步计算机技术及其应用的发展调节控制单元13.1常规控制规律vs图13-1典型控制系统回路结构图正作用调节器：0,y0负作用调节器：0,y0913.1.2基本控制规律（1）位控[双位控制]y{pp00控制简单，精度不高，控制速度快，控制信号始终等幅震荡比例（P）控制规律（最基本）输出信号的变化量y与偏差信号之间存在比例关系：yKp比例度（比例带）：输入量程e100%输出量程y比例度，调节13.1.3常规控制规律比例积分（PI）控制规律比例微分（PD）控制规律理想比例积分微分（PID）控制规律比例（P）使用PID控制规律的构成图13-8由P、I、D串并联混合构成的PID运算电路当输入量程量纲与输出量程量纲一致时：1(对于单元仪表=1)ykpkp缺点：误差不能为零。积分（I）控制规律输出信号的变化量y与偏差信号（误差变化率）之间存在比例关系：y1dtT1用途：改善小倍的静态误差，对动态有影响，一般不能单独使用，能消除或减小误差微分（D）控制规律输出信号的变化量y与偏差信号（误差变化率）之间存在比例关系：图13-9图13-1013.3DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析yTDddt用途：改善系统的动态指标，当噪声高时不适应图13-4（a）完全微分（b）不完全微分I，D不能单独使用微分方程表示法比例积分（PI）控制规律1ydt)Kp(TI0比例微分（PD）控制规律dyKp(TDdt)理想比例积分微分（PID）控制规律图13-16正/反作用开关:保证控制行路始终为负反馈主要性能：输入测量信号：1~5VDCyK(1dtT10d)pDTI0dt内给定信号：1~5VDC外给定信号：4~20mADC输入阻抗影响：<=满刻度的0.1%yTD特点：有超前调节作用、不能单独使用ddt输出信号：4~20mADC负载电阻：250~750Ω比例度：P=2%~500%积分时间：0.01~25min微分时间：0.04~10min调节精度：0.5级正反作用开关：保证控制行路始终为负反馈数字式调节器基本电路分析图13-17优点：结构为硬件+软件，应用范围广，可代替模拟输入输出多，可代替多个模拟式调节器2、有运算程序，可进行多种运算3、具有通讯功能4、PID运算课进行改进操作思考题13-1调节器的角色：是构成自动控制系统的核心仪表，是将变送器的测量信号与给定信号相比，并对偏差进行比较，输出给执行器。13-2.什么是比例控制规律，积分控制规律和微分控制规律？它们各有哪些表示方法和特点？[重点]比例控制规律：输出信号的变化量y与偏差信号之间存在比例关系：yKp图示法表示如图13-2、特点（1）能及时和迅速的客服振动的影响（2）存在一定的残余偏差积分控制规律：输出信号的变化量y与偏差信号（误差变化率）之间存在比例关系：1ydtT1（1）积分作用滞后偏差存在、不能单独使用（2）y大小与大小有关、还与偏差存在时间有关（3）消除残余偏差（4)只要有偏差、调节器输出就不断变化存在时间越长、输出信号的变化量也越大、直到调节器输入达到极限。微分控制规律：输出信号的变化量y与偏差信号（误差变化率）之间存在比例关系：13-3.为什么说积分控制规律一般不能单独使用。而微分控制规律一定不能单独使用？1）在阶跃输入的瞬间调节器吴输入、而随着时间的延续其输出增益增大、由此可见、积分调节作用总是滞后于偏差的存在、不能及时和有效的客服扰动的影响、使调节不及时造成被空变量超调量增加、操作周期和回复时间增长、也使调节过程缓慢、不以稳定、是积分控制规律使用时需考虑的主要问题所以积分控制规律一般不单独使用2）因为微分调节器的输出大小只与偏差变化速度有关、当偏差固定不变时、无论其数值多大微分器都无输出、不能消除偏差、因此不能单独使用13-4正反馈：输入正输出正负反馈;输入正输出负正反作用开关，反向器13-5.实用PID调节控制规律有哪些？由反馈回路PID环节构成的PID运算电路、由PD和PI串联构成的PID运算电路、由P/I和D并联构成的运算电路、由PI和D串联混合构成的PID运算电路。13-6.完全微分型PID控制规律与不完全有什么区别？那个控制更普遍？完全微分型算法()其中、对位阀位置、故障沉余差、加保持器、理想PID控制规律中微分作用只能在一个采样周期中有效、且调整作用很强、这样微分调节作用发挥不理想、因而在实际应用中常在完全微分型算式的基础上做必要的修正、从而产生了不完全微分型算式,因此不完全微分型PID调节控制规律更为普遍.如图：图13-4执行单元执行单元是构成控制系统不可缺少的组成部分，执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的物理量，从而实现被控对象的控制。气动执行机构电动输入信号转换为位移液动执行单元调节机构输入位移转换为介质流量14.1.1执行器分类与比较表14-111气动执行器是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器。气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便相对行程l/L宜、维护方便和防火防爆等优点，在工业控制系统中应14.4.4调节阀的流量系数用最为普遍。流量系数C是直接反映流体流过调节器的控制能电动执行器是以电动执行机构进行操作的。信号传力，一定条件下，每小时流过调节阀的流量值：输速度快，应用广，安全性低，易燃易爆场所不适用。思考题液动执行器的最大特点是推力大14-1.气动执行器、液动、电动在特性上有什么区14.2.气动执行器别？p197原理：输入信号转换为位移气动是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器、它接Ap受调节器的输出控制信号直接调节被控介质的流量、实FpAExxE现生产过程的自动化、结构简单、工作可靠。价格便宜、气动执行器标准信号：p0.2~1.0kgf/cm2维护方便防火防爆电动是以电动机构进行操作的、将电流信号转换为相应14.2.2阀门定位器轴角位移或直线位移、去控制调节机构以实现自动调原理：电信号转换为压力节、信号传输速度快、传输距离远、但其结构复杂、推主要用来克服流过调节阀的流体作用力，保证阀门定位力小等缺点、大大限制了其应用。在调节器输出信号要求的位置上。液动执行器最大的特点是推动力大，但在实际工业中的电气转换器+阀门定位器形成电气阀门定位器应用较少。14.4.2调节阀结构及分类14-2执行器组成部分及功能1、直通单座调节阀气动简单，成本低，便于调节，泄漏量小，适用于低压场合执行机构电动输入信号不适用于高压转换为位移2、直通双座调节阀液动适用于高压执行单元缺点：对介质要求高不适用于高粘度介质3、隔膜阀调节机构输入位移转换为介防腐蚀，流体要求低。质流量4、蝶阀价格便宜，流阻小，适用于低压差和大流量，不适于高14-3气动执行器工作原理压。气压与弹性元件作用力平衡，基本结构图14-55、球阀14-7调节阀有哪几种形式？各有什么特点？p202-203承受压力高，大口径成本高，重量大1、直通单座调节阀14.4.3调节阀的流量特性简单，成本低，便于调节，泄漏量小，适用于低压调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量场合和阀门相对开度之间的关系；不适用于高压Qfl2、直通双座调节阀适用于高压QMAXL缺点：对介质要求高不适用于高粘度介质调节阀典型理想流量特性曲线14-8.什么是调节流量特性？常用的有哪几种？调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系即：Q/Qmax=f(l/L)式中、Q/Qmax为相对流量l/L为相对行程直线特性：其流量与阀芯位移成直线关系对数特性：其阀芯位移与流量间存在对数关系抛物线特性：其流量与相对行程间存在抛物线关系12（快开特性：在开度较小时流量变化比较大随着开度增大流量很快达到最大值、它没有一定的数学表达式）14-9如何选用调节阀？选用调节阀应考虑因素？1、运用场合调节阀类型（气动、电动、液动）2、安装管路流量特性3、调节阀结构单座（低压、泄漏小），双座（高压）复习重点[仅供参考]主要为测量仪器原理及特点，四大参数测量方法1、四大参数（温度、压力、流量、物位），温度更重要2、PID控制规律及调节3、变送器、调节控制单元4、气敏元件，节流元件5、调节器（数字式与普通调节器的区别）6、PH及湿度测量方法13