过程控制与自动化仪表(第3版)-第2章-思考题与习题

  第2章 思考题与习题 1．基本练习题 （1）简述过程参数检测在过程控制中的重要意义以及传感器的基本构成。 答： 1）过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、成分等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量的生产安全，并使生产过程按昀优化目标进行。要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则是有检测仪表来完成。检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，系统的控制精度首先取决与检测仪表的精度。检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。 2）传感器的基本构成：通常是由敏感元件、转换元件、电源及信号调理/转换电路组成。 （2）真值是如何定义的？误差有哪些表现形式？各自的意义是什么？仪表的精度与哪种误差直接有关？ 答： 1）真值指被测物理量的真实（或客观）取值。2）误差的各表现形式和意义为：昀大绝对误差：绝对误差是指仪表的实测示值x与真值ax的差值，记为Δ，如式（2‐1）所示： aΔxx（2-1）相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为δ，如式（2‐2）所示： aΔδ100%x（2-2）引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为γ，如式（2‐3）所示： maxminΔγ100%xx（2-3）式中，maxx仪表测量范围的上限值；minx仪表测量范围的下限值。 基本误差：基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。 附加误差 附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。 3) 仪表的精度与昀大引用误差直接有关。 第2章过程参数的检测和变送20 （3）某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃，它的昀大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级； 答： 根据题意可知：昀大绝对误差为±2℃ 则精度等级%4.0%1005002  所以仪表精度等级为0.4级 （4）某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？ 答： 由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。 或者0.002 （5）有一台DDZ‐Ⅲ型两线制差压变送器，已知其量程为20~100kPa，当输入信号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？ 答： 由题可得：变送器输出的分别是8mA和16mA。 （6）设有某DDZ‐Ⅲ型毫伏输入变送器，其零点迁移值min6umV DC，量程为12 mV DC。现已知变送器的输出电流为12 mA DC。试问：被测信号为多少毫伏？ 答： 由题可得：被测信号为12毫伏。 （7）智能温度变送器有哪些特点？简述TT302温度变送器的工作原理。 答： 1）智能温度变送器特点为： a）通用性强； b）使用灵活； c）多种补偿校正功能 ； d）控制功能； e）通信功能； f）自诊断功能； 2) TT302温度变送器的工作原理： a) 在结构上，它由输入模板、主电路模板和显示器三部分组成。其中，输入模板由多路转换器（MUX）、信号调理电路、A/D转换器和隔离部分组成。主板由微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整和电源等组成，它是变送器的核心部件。显示器为液晶式微功耗数字显示器，可显示四位半数字和五位字母。 第2章过程参数的检测和变送21 b）软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各部分之间的管理；功能模块提供了各种功能，用户可以通过选择以实现所需要的功能。 （8）1151智能式差压变送器有哪些特点？它的硬件构成有哪几部分？ 答： 1）1151智能式差压变送器具有如下特点： a）测量精度高，基本误差仅为±0.1％，而且性能稳定、可靠； b）具有温度、静压补偿功能，以保证仪表精度； c）具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通信； d）具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位换算和有关信息的存储等功能。 2）硬件构成分为6部分：传感器部分，A/D转换器，CPU，HART通信部分，数/模转换及电压调整电路，监控电路。 （9）温度变送器接受直流毫伏信号、热电偶信号和热电阻信号时有哪些不同？ 答： 直流毫伏信号与热电偶信号的两点区别是输入信号由直流毫伏信号变为热电偶的热电动势信号，该信号会随热电偶冷端温度的变化而变化，因而需要对其进行矫正，其矫正电压由铜电阻变化的阻值来提供。而热电阻信号由于其他不同：它用三限制接入电路取代了冷端温度补偿电路。对铂电阻测温进行了非线性校正。非线性校正不是采用折线拟合方法而是采用正反馈方法。 （10）什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力之间有何关系？ 答： 所谓的压力是指垂直作用与单位面积上的力。表压力是指绝对压力与当地大气压力之差。绝对压力是指相对于绝对真空所测量得到的压力。负压是指绝对压力小于大气压力之时，大气压力与绝对压力之差。 （11）体积流量、质量流量、瞬时流量和累积流量的含义各是什么？ 答： 体积流量是以体积表示的瞬时流量。质量流量是以质量表示的瞬时流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用重量或质量表示。 瞬时流量：单位时间内流过工艺管道某截面积的流体数量。 累积流量：某一段时间内流过工艺管道某截面积的流体总量。 （12）某被测温度信号在40~80℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过±1％，现有两台测温仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围为0~100℃，另一台仪表的测量范围为0~200℃，试问：这两台仪表能否满足上述测量要求? 答： 由题可得：这两台仪表均不能满足上述测量要求。 第2章过程参数的检测和变送22 （13）热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？ 答： 1）只有当热电偶的冷端温度恒定时，其热电动势才是单值函数。依据等值替换原理制成的补偿导线，虽然可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，但还不能保持绝对不变。因此，为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可以进行冷端温度校正。 2）补偿方法常采用查表校正法和电桥补偿法。 （14）热电阻测温电桥电路中的三线制接法为什么能减小环境温度变化对测温精度的影响？ 答： 三线制接法就是在热电阻根部的一端引出一根导线，而在另一端引出两根导线，分别与电桥中的相关元件相接。这种接法可利用电桥平衡原理较好的消除导线电阻的影响，所以这种接法是目前工业过程中昀常用的接线方式。 2．综合练习题 （1）某一标定为100~600℃的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下： 被校表读数/℃100150200250300400500600标准表读数/℃1021492042562964034956061)试求该仪表的昀大绝对误差。 2）确定该仪表的精度等级。 3）经过一段时间使用后，仪表的昀大绝对误差为±7℃，问此时仪表的精度等级为多少？ 答： 1）仪表的昀大绝对误差为：±6℃。 2）根据6100%1.2%500，可知：仪表的精度等级1.2级。 3）此时仪表的精度等级不变，仍然为1.2级。 （2）用分度号Pt100的热电阻测温，却错查了Cu50的分度表，得到的温度是250℃。问实际温度是多少？ 答： 根据题意可知：实际温度为‐120.8℃。 （3）若被测压力的变化范围为0.5~1.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的±5％，可供选用的压力表规格：量程为0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4MPa，精度等级为1.0、1.5、2.5。试选择合适量程和精度的压力表。 答： 根据题意可知： 昀大测量误差为∆max＝1.4×（＋5％）＝＋0.07 Mpa 第2章过程参数的检测和变送23 1）量程确定： 应满足工作昀大压力小于仪表量程的2/3处，即1.4 MPa×3/2＝2.1 MPa 可以选量程为0～2.5 MPa的弹簧压力表。 2）精度等级确定： 求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。 %8.2%1005.207.0 ，允许的精度等级为2.5级。 综上分析，选择量程为0～2.5 MPa，精度等级为2.5级的弹簧压力表。 该表的昀大绝对误差：∆max＝2.5×（＋2.5％）＝＋0.0625 MPa，0.07 MPa 所以满足要求。 （4）已知某负温度系数热敏电阻，在温度为298K时阻值1()3144RT；当温度为303K时阻值2()2772RT。试求该热电阻的材料常数B和298K时的电阻温度系数。 答： 根据半导体热敏电阻的电阻值和温度的函数近似关系如式（2‐4）所示： 0011()()RTRTEXPBTT（2-4）得该热电阻的材料常数00ln()ln()=227511RTRTBTT 温度系数21()()dRTBRTdTT 在298K时，0.0256。 （5）用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压变送器量程为0~410Pa，对应输出信号为4~20mA DC，相应流量为0~320m3/h。求差压变送器输出信号为8mA DC时，对应的差压值及流量值各是多少？ 答：根据题意可知：    斜率 2500100004204k    差压值y = 2500pa    流量值160320100002500phm/3 （6）什么是FSK信号？HART协议的通信方式是如何实现的？ 答： 第2章过程参数的检测和变送24 FSK信号：频移键控，就是用数字信号去调制载波的频率。是信息传输中使用较早的一种传输方式。HART协议的通讯方式是由调制器、解调器、载波检测电路和时基电路构成，实现二进制的数字信号与FSK信号之间的相互转化。 （7）利用压力表测量某容器中的压力，工艺要求其压力为1.3±0.06MPa，现可供选择压力表的量程有0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4.0MPa，其精度等级有1.0、1.5、2.0、2.5、4.0，试合理选用压力表量程和精度等级。 答： 根据题意可知： 昀大测量误差为∆max＝±0.06 Mpa 1）量程确定： 应满足工作昀大压力小于仪表量程的2/3处，即1.36 MPa×3/2＝2.04 MPa 可以选量程为0～2.5 MPa的压力表。 2）精度等级确定： 求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。 0.06100%2.4%2.5 ，允许的精度等级为2.0级。 综上分析，选择量程为0～2.5 MPa，精度等级为2.0级的压力表。 该表的昀大绝对误差：∆max＝2.5×（±2.0％）＝±0.05 MPa，0.06 MPa 所以满足要求。 3．设计题 （1）用分度号为K的镍铬‐镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为600℃，此时冷端温度为50℃。试问：实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度为20℃时，此时显示仪表指示值应为多少？ 答： 1）已知冷端温度为50℃，由分布表可查得 0E(t,0)=E(50,0)=2.022mV 又已知热电动势E=24.902+2.022=26.924mV 所以实际温度为648℃。 2）当冷端温度为20℃时，热电势为0.798 mV 26.924‐0.798=26.126 mV 26.176‐25.751=0.425 mV 26.17626.126630106290.425C 当冷端温度为20℃时，显示仪表指示值为629℃。 第2章过程参数的检测和变送25 （2）某容器的正常工作压力范围为1.0~1.5MPa，工艺要求就地指示压力，并要求测量误差小于被测压力的±5％，试选择一个合适的压力表（类型、量程、精度等级等），并说明理由。 答： 根据题意知：压力范围1.0～1.5MPa 允许昀大误差：emax＝1.5×（5％）＝0.075 MPa 1）量程确定： 应满足工作昀大压力小于仪表量程的2/3处，即1.5 MPa×3/2＝2.21 MPa 可以选量程为0～2.5