自动检测技术及仪表控制系统第三版部分思考题答案

由天下分享时间：2024/9/8 1:04:14 加入收藏我要投稿点赞

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、参比气体和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[]的大小来表示。一般用pH值来表示溶液的酸碱度，定义为：

pH??lg[H?]

和之相应有：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：

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；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量和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，为相对湿度；为干球温度下得饱和水汽压；

为湿球温度下的饱和水汽压；为湿空气的总压；为干球湿度；为湿球湿度；为仪表常数，它和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。

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，

；pHx为被测溶液

要求：实际测量中，要求混合气体中背景组分的导使用在工业生产中）②按测量方式分为直读仪表（可以热率必须近似相等，并和被测组分的导热率有明显的差直接读取被测量值）和比较仪表（采用某种方式通过未别，对于不能满足这一要求的气体可采用预处理的方知量雨已知量相比较而得出被测量值）③按原理性连接法。方式分为串联（各功能模块首尾相接前后串联）、反馈

9-3 （某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其机理为：红外线气体分析器属于光学分析一表中的前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈一种。它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择作用）④按信号传输方式分为电动仪表（以电量为传输性吸收的特性来进行分析的。一般由红外辐射源、测量信号，信号可远传，但无特殊处理措施，会引起活在和气样室、红外探测装置组成。爆炸）、气动仪表（使用压缩空气来传输信号，反应动

9-4 作慢，投资大）⑤按组成方式分为基地仪表（通用性差）、氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。浓单元组合式仪表（只完成单一功能，但是比较灵活）、差电池内在氧化锆陶瓷体的两侧烧结一层多孔铂电极，组件组装式仪表（可根据需要选择多个插件，常用在计当两侧气体的含氧量不同时，在两极间将产生浓差电算机控制系统中）⑥按安装使用方法分为现场安装仪表势。条件要求为：工作温度要恒定，传感器要有温度调（防爆，防腐，抗震）、盘后架装仪表（无显示功能，节控制的环节；必须要有参比气体，参比气体的氧含量无操作需要）、盘装仪表（同时具有显示功能和操作功稳定不变；参比气体和被测气体压力应该相等。能）以上三种是常用工业用表、台式仪表（实验环境）、

9-5 携带式仪表（野外工作环境）⑦按防爆能力分为普通型基本环节有分析环节和分离环节。仪表（用于非危险场所）、隔爆型仪表（可防燃烧、爆9-6、半导体气敏传感器有哪几种类型？炸、防腐、防震等）⑧按运算处理方式分为模拟式仪表半导体气敏传感器的类型按照半导体的物位变化（信号为模拟信号）、数字式仪表（信号为数字信号）特点，可分为电阻型和非电阻性两类。按照半导体和气2．仪表各功能模块的链接方式有哪两种？其主要的区体的相互作用是在其表面或内部，又可分为表面控制型别是什么？和体控制型两种。有串联和反馈，区别在于串联是各功能模块首尾相

9-7 接前后串联，反馈是某个功能模块的输出重新输入到自直接电位法测量溶液酸度就是用pH测量电池进行身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成测量，测量电极插入溶液中会和溶液产生电极电势，电正反馈或负反馈作用池的电势为参比电极和测量电极间电极电位的差值，其10-3、 DDZ-II型和DDZ-III型电动单元组合仪表的主大小就代表溶液中氢离子浓度，即溶液酸度。要外特性是什么？（表10-1）p137[重点题]

9-8、简述湿度测量的特点，常用的湿度测量方法有（1）DDZ-II型电动单元组合仪表的主要外特性：DDZ-II哪些？型系列仪表采用了印制电路等工艺，是以晶体管元件为

湿度测量的方法很多，传统的方法是露点法，毛发主体的各单元之间的联络信号约定为0~10mA，电源采膨胀法和干湿球湿度测量法。工业过程的检测和控制对用交流220v，各单元的精度为0.5级。由于采用了电流湿敏传感器有一下要求：（1）工作可靠，使用寿命长；作为仪表间的联络信号，因而信号在传达过程中能保持（2）在气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着的恒值而不易受到传输电线电阻的变化的影响，且适合于影响；（3）满足要求的湿度测量范围有较快的相应速度；远距离传送。此时变送和计算单元能承受的负载电阻一（4）能在-30°~100°c的环境温度下使用，受温度影般为0~1.5千欧，给定和调节单元能承受的负载电阻一响较小；（5）互换性好，制造简单，价格廉价。般为 0~3 千欧。电流信号的引入还有利于和磁场作用产

生机械力，以便于利用力平衡原理实现各种功能。同时，

10仪表系统分析电流信号有利于多个单元的串接，并能保证各接收信号

表10-1DDZ-II型和DDZ-III型仪表的比较 (p137) 的一致性。此外电流信号从口开始，便于模拟量的运算。仪表系统数学模型的类型有：（2）DDZ-III型系列仪表是以线性集成电路为主要元器时域模型，频域模型，离散模型。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

思考题和习题压的联络信号，电源采用直流24v单电源供电。DDZ-III1常用仪表是如何进行分类的？各有什么特点？型仪表采用国际统一信号制的4~20mA直流电流进行远

①按使用性质分为标准表（用于校验非标准仪表使传，主要是为了克服其电流制式的缺陷，即无法判断线用，经过了计量部门的定期检定并具有合格证书）、实以及不易避开元件的死区和非线性区。由于III型仪表验室用表（用于科学实验研究）、工业用表（长期安装的输入阻抗较大，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和环节1的关系不大、因此可以根据式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）

5.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

6.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和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，思路和单一仪表输入一样，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

8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和频率的关系，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

11变送单元

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（主要使用在差压变送器） 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℃和输出4-20mA成线性关系，有

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使用的发展

13调节控制单元

13.1常规控制规律 ??v?s

T?400?I?4?(600?400)得20?4I1?12mA和I2?16mA

11-9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

图13-1典型控制系统回路结构图

??0,?y?0正作用调节器：

??0,?y?0负作用调节器：

13.1.2基本控制规律（1）位控[双位控制]

12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？主要使用范围是什么？

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、可以实现测量和显示自动完成、同时能够自动跟踪测量过程中平衡状态的变迁

使用范围：开环以动圈式仪表为代表、闭环主要使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：主要和差动变压器式测量机构配套使用。原理图12-5

12-6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。

y?{p?p??0??0

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）

y和偏差信号?输出信号的变化量之间存在比例

关系： y?Kp?比例度（比例带）：

??输入量程?e?100%

输出量程?y?比例度?，调节?

当输入量程量纲和输出量程量纲一致时：

??e11?(对于单元仪表?=) 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 和偏差信号 ? （误差变化率）之间存在比例关系：

y??dt用途：改善小倍的静态误差，对动态有影响，一般不能T1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 和偏差信号 ? （误差变化率）之间存在比例关系：

?y?TDdt

用途：改善系统的动态指标，当噪声高时不适应数字式调节器基本电路分析图13-4 （a）完全微分（b）不完全微分图13-17 I，D不能单独使用优点：结微分方程表示法构为硬件

? 比例积分（PI）控制规律 +软件，使

1?dt)用范围? 比例微分（PD）控制规律 y?Kp(??d?TI0y?Kp (??TD)广，可代? 理想比例积分微分（PID）控制规律

dt 替模拟输

1d?y?Kp(???dt?TD入)输出13.1.3常规控制规律

TI0dt比例积分（PI）控制规律多，可代比例微分（PD）控制规律替多个模理想比例积分微分（PID）控制规律拟式调节器2、有运算程序，可进行多种运算3、具有比例（P）通讯功能4、PID运算课进行改进操作使用PID控制规律的构成思考题图13-8 13-1调节器的角色：由P、I、D串并联混合构成的PID运算电路是构成自动控制系统的核心仪表，是将变送器的测

量信号和给定信号相比，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]

? 和偏差信号比例控制规律：输出信号的变化量y

图之间存在比例关系：

13-9 y?Kp?图13-10 图示法表示如图13-2、特点（1）能及时和迅速的客服13.3DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析振动的影响（2）存在一定的残余偏差

积分控制规律：输出信号的变化量和偏差信号（误差变化率）之间存在比例关系：

（1）积分作用滞后偏

差存在、不能单独使用

图

（2）?y大小和?大小

??13-16

正/反作用开关:保证控制行路始终为负反馈主要性能：