自动检测技术及仪表控制系统第三版部分思考题答案

1基本知识引论

课后习题

1.1检测及仪表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

1

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。

4 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)=11.30mV E(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)= 1.0002mv E（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？

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

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，分析其各适用什么场合？ 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

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=101.275Mpa 101.325+0.3=101.625Mpa 350kpa

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？

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

5、压力检测

可靠、频率响应高、不需外加电源 缺点：输出阻抗高，答：流量系数与节流件形式、直径比、取压方式、流动需要特殊信号传输导线、温度效应较大、是动态压力检雷诺数及管道粗糙度有关 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。 6-5简述标准节流装置的组成环节及其作用。对流量测5-8 量系统的安装有哪些要求？为什么要保证测量管路在 答：1、取压点位置和取压口形式 2、引压管路的敷设 节流装置前后有一定的直管段长度？（p76） 3、测压表仪表的安装 答： 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6-6当被测流体的温度、压力值偏离设计值时，对节流的情况，现场环境及生产过程对仪表的要求） 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，给定设计参数量程：为保证测压仪表安全可靠的工作，仪表量程

p=0.8kPa，t=20错误！未找到引用源。，现实际工作参

需根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的

数p?=0.4kpa，t?=30错误！未找到引用源。，现场仪

情况等条件来选取。 表指示为3800错误！未找到引用源。/h，求实际流量

大小。 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

6-8、一只用水标定的浮子流量计，其满刻度值为1000d

定仪表的精度。 错误！未找到引用源。/h，不锈钢浮子密度为7.92g/

测量压差的仪表适应注意工作压力的选择，应使其错误！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与被测对象的工作压力相对应。

上限是多少？

5-12

答：由题意可知，测量范围为0.5-1.4Mpa 相对误

6-9、说明涡轮流量计的原理。某一涡轮流量计的仪表

差为5%

常数为K=150.4次/L，当它在测量流量时的输出频率为

根据测量范围可得，量程应选0-2.5Mpa

f=400Hz，其相应的瞬时流量时多少？

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%

6-10、说明电磁流量计的工作原理，这类流量计在使用

所以精度为2，参照题中给出的精度，选精度为2.5

中有何要求。

级。

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6流量检测

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。

6-2以椭圆齿轮式流量计为例，说明容积式流量计的工

2）电磁流量计对直管段要求不高，直管段长度为

作原理。

5D-10D；安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流強磁

dV场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表；水平安 qv?dt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

电性介质的流量测量。 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6-11、涡街流量计的检测原理是什么？常见的漩涡发生各自绕轴作非角匀速度转动、转动过程中连续不断地将体有哪几种？如何实现旋涡频率检测？ 充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体一份份地

答：（1）涡街流量计的检测原理是利用流体振荡的原理排出、齿轮的转数可以通过机械或其它的方式测出、从

进行流量测量、当流体流过非流线型 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。 阻挡体时会产生稳定的旋涡列、旋涡的产生频率与流体

节流式流量计：节流式流量计测量原理是以能量守

留宿有着确定的对应关系、测量频 恒定律和流动连续性定律为基础

率的变化。就可得知流体的流量、 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（2）常见旋涡发生体的形状有圆柱、三角柱、矩形柱、号于流体流量有确定的关系，经过差压计可测出流体流

T型柱以及由以上形状组合而成的组合形状

量。

（3）旋涡频率的检出有多种方式、可分为一体式和分弯管流量计：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体式两类、一体式的检测元件放在旋涡发生体内、如热径侧之间形成差压，此差压的平方根于流体流量成正丝式分体式检测元件则装在旋涡发生体下游、如、压电比。

式均利用旋涡发生时引起的波动进行测量、旋涡频率采6-4节流式流量计的流量系数与哪些因素有关？

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。

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， 又知浮力W为

故 ：

W?7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

4

?D24?gH

4

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H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？

F?G?W?G??D2?gH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。

8 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8-1 8.1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（C??S） 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）P106

8.1.4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）

5

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。 1 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。

2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。 3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。

9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：

1) 电化学式：如电导式（EC），电位式，酸

度计，离子浓度计等。

2) 热学式：如热导式、热谱式、热化学式等。 3) 磁学式：如磁式氧气分析仪、核磁共振分

析仪等。

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