自动检测技术及仪表控制系统课后习题及复习资料

平均无故障工作时间有效度平均无故障工作时间平均故障修复时间1基本知识引论1、测量范围、测量上、下限及量程测量范围：仪器按照规定的精度进行测量的被测变量的范围测量下限：测量范围的最小值测量上限：测量范围的最大值量程：量程=测量上限值-测量下限值1.2.3灵敏度：被测参数改变时，经过足够时间仪表指示值达到稳定状态后，仪表输出变化量与引起此变化的输入变化量之比灵敏度YU1.2.4误差绝对误差：max绝对误差=示值－约定真值相对误差：相对误差（%）=绝对误差/约定真值引用误差：max引用误差（%）=绝对误差/量程最大引用误差：最大引用误差（%）=最大绝对误差/量程允许误差：最大引用误差≤允许误差1.2.5精确度仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量。精确度划分为若干等级，简称精度等级，精度等级的数字越小，精度越高1.2.8可靠度：衡量仪表能够正常工作并发挥其同能的程度课后习题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9tF=32+tC5表4-1t()=T-273.15k℃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。（必考）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。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)=1.0002mvE（750,0）=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？答：已知普朗克第二常数C2=1.4387×10-2m.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=0.1Mpa10m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。优点：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、应变式压力传感器原理：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缺点：。。。。。。b、压阻式压力传感器原理：基于半导体的压阻效应（压力硅）优点：灵敏度高、体积小。缺点：长期稳定性差、受温度影响大c、电容式压力传感器原理：将弹性元件的位移转