《自动检测技术》第二版 王化祥 课后答案

过 装 控 整理 1 / 25 么是检测装置的静态特性？其主要技术指标有哪些？ 答： 静态特性是指检测系统在被测量 各值 处于稳定状态时，输出量与输入量之间的关系特性。 静态特性的主要技术指标有：线性度、精度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、可靠性等。 么是检测装置的动态特性？其主要技术指标有哪些？ 答： 动态特性是指动态测量时，输出量与随时间变化 的输入量之间的关系。 动态特性的主要技术指标有：动态误差、响应时间及频率特性等。 失真测试对测量系统动态特性有什么要求？ 答： 输入信号中各频率分量的幅值通过装置时，均应放大或缩小相同的倍数，既幅频特性是平行于横轴的直线； 输入信号各频率分量的相角在通过装置时作与频率成正比的滞后移动，即各频率分量通过装置后均延迟相同的时间 t，其相频率特性为一过原点并有负斜率的斜线。 量系统动态参数测定常采用的方法有哪些？ 答： 动态特性参数测定方法常因测量系统的形式不同而不完全相同， 从 原理上一般可分 为正弦信号响应法、阶跃信号响应法、脉冲信号响应法和随机信号响应法等。 位移传感器，在输入位移变化 1，输出电压变化 300其灵敏度？ 答： 灵敏度可采用输出信号与输入信号增量比表示，即 3001300 mv/标准压力表来校准工业压力表时，应如何选用标准压力表精度等级？可否用一台 ，量程 0 25，量程 0 压力表 ?为什么？ 解：选择标准压力表来校准工业用压力表时，首先两者的量程要相近，并且标 准表的 精度 等级要高于被校表精度等级，至少要高一个等级。 题中若标准表是 ，量程 0 25该标准表可能产生的最大绝对误差为 25(1m 校表是 级，量程 0 可能产生的最大绝对误差为 m 然 1 2，这种选择是错误的，因为虽然标准表精度等级较高，但是它的量程太大，故不符 合选择的原则。 一阶系统，在 t 0 时，输出 10t 时，输出为 100 t 5s 时，输出为 50求该系统的时间常数 ？ 答： 对一阶系统在阶跃响应曲线后，输出值达到阶跃值为 所用时间为一阶测量系统的时间常数 。但这样确定 值没有涉及响应全过程，为此采用如下方法，可以获得较为可靠的 值。 由一阶系统的阶跃响应曲线表达式 t )1()( 可得出 )(1 现在一般用准确度，不用精度 过 装 控 整理 2 / 25 令 则 )(1 由以上分析可以看出 z 与 t 成线性关系，此处设静态灵敏度系数 k 1，输入阶跃信号为 x 0 （ 敏电阻，切向电阻、径向电阻各两个组成全桥电路。试求：切向和径向的电阻相对变化量计算公式(,)( ，并设计四个压敏电阻在膜片上的位置。膜片泊松比 。 过 装 控 整理 13 / 25 解： 在（ 100）晶面上扩散 敏电阻。如题图 a）所示两个径向电阻的晶向为 ，两个切向电阻的晶向为 先求 敏电阻 l 和 t 值，并查表 晶向的方向余弦 1,0 111 晶向的方向余弦 1,0 222 故 1121212121212144121111 )(2 2)( 111222212221222144121112 又知圆膜片表面受压力后应力沿半径方向分布公式为径向应力 )3()1(83 222 切向应力 )31()1(83 222 式中， p 被测压力； h 膜片厚度； r 膜片半径。得 径向电阻相对变化量为 )5()1(163)( 22211 切向电阻相对变化量为 )15()1(163)( 22211 由和表达式可知： 当 x 0 即膜片中心点位置、电阻相对变化量相等，均有最大绝对值的负数。即 )1(163)()( 2 112 查表可知： 1211 101200 ， ，故 )( 2 210 当 x r 时即膜片边缘处， 当 0)( x/r 0)( x/r 所以 敏电阻在 晶向上电阻相对变化量 )()( r ， )()( t 特性曲线如图 4.9(b)所示。 现设计全桥电路图，根据图 b）曲线，扩散电阻取两组互为差动并且电阻相对变化量取值要大，确保桥路输出电压足够大。 取电阻位置如图 c） 2R 和 4R 在 x 0 圆心处，则 过 装 控 整理 14 / 25 2210422 1057.2 此时 为负值其绝对值为最大。 另两片 1R 、 3R 取为径向电阻，并满足条件 r 。 解方程 )1(163)5()1(163 21122211 得 1(2 R 和 3R 在半径 x 周上，晶向为 。则满足 221044223311 1057.2 将四个电阻接入图 d）桥路中组成全桥电路，此种接法即可提高输出信号电压灵敏度，又可以补偿环境温度变化。 知球平面电容差压变送器输出电流L ，其中 恒流源。如题图 a）所示。感压膜片电极 1 的挠度 y 与差压成正比 )( LH ， K 为比例系数， 2、 3 为球面形固定电极。试证明输出电流 H 成正比。 解： 设初始状态 LH 时 0p ，有 0L 当 LH 时 0p ，膜片 1 靠近球面电极 3 如图 b）中虚线所示则此时 C ，并可画出图 c）所示的等效电路图，其 膜片变形后位置和初始位置之间假设的电容值，可求出 将 达式代入输出电流表达式，化简后可得 L 00 C 00过 装 控 整理 15 / 25 而电容 膜片挠度 y 成反比，可写为 A 比例系数 由 I 和 式及挠度表达式 )( LH 可推导出 )(000 令0 为常数 故证明 H )( ，即 I 与 p 成正比。 第五章 温度 习 题 标的三要素是什么？常用的温标有哪些？它们之间有什么关系？ 答： 温标的三要素是： 可实现的固定定义点温度。 表示固定点之间温度的标准仪器。 确定相邻固定点温度的内插公式，即温标方程。 常用温标有摄氏（）、华氏（ 、热力学温标（ K）及国际实用温标（ 华氏温标与摄氏温标换算公式为 )32(95 FC 热力学温标与摄氏温标换算公式为 t 电偶 测温原理是什么？热电偶回路产生热电势的必要条件是什么？ 答： 热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。把两种导体或半导体材料 A 和 B 组成闭合回路，将它们的两个接点分别置于不同温度的热源中，则回路内将产生热电势 ),( 0 热电偶回路产生热电势的必要条件是： 必须是两种不同材料组成的回路，其电子密度 N 。 两端接点温度不同，即 0。 电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？冷端温度补偿的 方法有哪些？ 答： 热电偶测温时，用补偿导线将冷端延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度并不是 0，而工业上常用的各种热电偶的温度与热电势关系曲线是在冷端为 0时得到的，与它配套的显示仪表也是根据这一关系曲线刻度的，而操作室温度一般高于 0，而且不恒定，此时产生的热电势必然偏小，且随环境温度变化而变化，使测温结果产生误差。因此需对冷端温度进行补偿。 冷端温度补偿常采用的方法有： 恒温法使冷端保持 0； 计算修正法； 桥路自动补偿法； 补偿热电偶法等。 述热电阻测温原理？常用热电阻的种类及 0R 各为多少？ 过 装 控 整理 16 / 25 答： 热电阻是利用金属导体的电阻值随温度而变化的特性来进行温度测量的，即电阻 R 与环境温度 t 有一定的函数关系。 常用热电阻有： 铂电阻：分度号 100分度号 10 t=0 式的电阻值分别为 0R 100 和 0R 10 ； 铜电阻：分度号 100分度号 50 t=0 式的电阻值分别为 0R 100 和 0R 50 。 敏电阻测温有什么特点？热敏电阻可分为几种类型？ 答： 热敏电阻可用来测量 +300的温度，与金属热电阻相比，它具有如下特点： 电阻温度系数大，灵敏度高； 电阻率大，可做成体积小而阻值大的电阻体，连接导线电阻变化影响可以忽略； 结构简单，体积小，可测微小空间及点温度； 热惯性小，适于快速测量。 按温度系数分类热电阻 可分为：正温度系数、负温度系数和临界温度系数三类热敏电阻。用于温度测量的常采用负温度系数热敏电阻。 射测温方法的特点是什么？常用的辐射式测温仪有几种？ 答： 辐射测温方法是利用物体辐射能与本身温度有一定函数关系的原理进行测量的，这种测温方法的热交换以辐射方式进行。它是一种非接触式测温方式，不会干扰被测对象的温度场，测温上限高，动态性能好，灵敏度高，可测运动状态对象的温度。 常用的辐射测温仪可分为三大类：光学式高温计、全辐射高温计和比色高温计。 么是光学高温计的亮度温度？它与实际被测温度有 什么关系？ 答： 光学高温计的亮度温度是指在波长为 的单色辐射中，若物体在温度 T 时的亮度与绝对黑体在温度 亮度相等，则把绝对黑体的温度 为被测体在波长 时的亮度温度。 亮度温度 实际温度 T 之间的关系式为 1式中： 2C 为常数； 为物体在该波长下黑度系数。由于 1，所以 T。 题图 示热电偶回路，只将电极 B一根丝插入冷筒中作为冷端， t 为待测温度，问 C这段导线应采用哪种导线（是 A、 B 还是铜线）？说明原因。对 1t 和 2t 有什么要求？为什么？ 解： C这段导线应用 A导 线代替，并且要求 1t 2t 。因为这相当于由于 A和 B两种材料组成的热电回路， t 为热端， 0 是冷端，加入第三根导线是铜线在分开点处温度 1t 2t 时测量回路电势不变，仍为 0,( )。这就是热电偶的中间导体定律。 支分度号为 100热电阻，在 130 时它的电阻 什么？要求精确计算和估算。 解 ：精确计算如下。应根据铜电阻体电阻 温度特性公式，计算如下 )1( 320 t 式中 0R 为 100电阻在 0 时阻值， 0R 100 ； A、 B、 C 为分度系数，具体值如下： A 1/ ；B /( )2； C /( )3。则 过 装 控 整理 17 / 25 100（ 1 130 2130 3130 ） 若近似计算可根据 )1(0 ，式中 ，得 00 另一种近似计算法可以根据 算 00000100 t 知某负温度系数热敏电阻，在温度为 298K 时阻值 31441 ；当温度为 303K 时阻值 27722 。试求该热敏电阻的材料常数 298K 时的电阻温度系数 是多少？ 解 ：根据负温度系数电阻温度特性 )11(e 公式，代入已知条件 2981T K， 31441 ，3032 T K， 27722 ，解出： 材料常数 2274303129812772 温度系数21 ，与 2T 成反比，在 T 298K 时， /K 分度号为 镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为 500 ，而这时冷端温度为 60 。试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在 20 ，此时显示仪表的指示值应为多少？ 解 ：显示仪表指示值为 500 时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为 于这个电势是由热电偶产生的，即 0, 同样，查表可得： ,60(0,0 则 0, 0, 0,0 由 表可得： t 557 。即实际温度为 557 。 过 装 控 整理 18 / 25 当热端为 557 ，冷端为 20 时，由于 E（ 20， 0） 有： 0, 0, 0,0 由此电势，查表可得显示仪表指示值应为 。 用一支 镍铬 冷端温度为 30 ，而显示仪表机械零位为 0 ，这时指示值为 400 ，若认为换热器内的温度为 430 ，对不对？为什么？正确值为多少？ 解 ：不对。 因为仪表机械零位在 0 与冷端 30 温度不一致，而仪表刻度是以冷端为 0 刻度的，故此时指示值不是换热器真实温度 t。必须经过计算、查表、修正方可得到真实温度 t 值。由题意首先查热电势表，得 ,400( E ,30( E 实际热电势为实际温度 t 与冷端 30 产生的热电势，即 30, ,400( E 0, 30, ,30( E 热电势表得 t 。 由以上结果说明，不能用指示温度与冷端温度之和表示实际温度。而是采用热电势之和计算，查表得到的真实温度。 套管式温度计测量管道内蒸汽温度，已知套管壁厚为 度为 50管导热系数 40 W/m ，蒸汽与套管间对流系数 100 W/m ，并忽略辐射换热。当温度计读数为 160 ，管壁温度为 40 时，求： 蒸汽实际温度是多少？ 如果要求测量误差小于 ，温度计插入管道的最小深度是多少？ 解： 首先计算温度系统的数群其中：套管导热系数 40 W/m ；蒸汽与导管之间对流系数 100 W/m ；套管周长 ；套管的横截面积 为壁厚 以上各值代入 m 计算如下 00 3 d （ 1/m） 当插入长度 l 50， 双曲余弦为 21)c o s h ( 由误差表达式 )c o s h (10 实 测实其中： 160测t ， 400t 代入上式计算解出 t 过 装 控 整理 19 / 25 要求误差 即 005.0) 6 所以得温度计插入最小深度 l m 么是流量和总量？有哪几种表示方法？相互之间的关系是什么？ 答： 流 量是指单位时间内流过某一截面的流体数量，即瞬时流量。总量也称累计流量，是指在一段时间内流过管道的流体流量总和。流量可分为体积流量 质量流量 可表示为 ， 。他们之间的关系为： vm 为流体密度）。总量有体积总量和质量总量两种，他们与瞬时流量之间 的关系为 体积总量 21tt 质量总量 21tt 子流量计与差压流量计测量原理有何异同？ 答： 浮子流量计与差压流量计均为节流式测量仪表，它们的体积流量方程式均可表示为 2，式中： 为流速膨胀系数； 为流量系数； 节流面积； p 为节流件前后差压； 为被测介质密度。 不同点是浮子式流量计的节流体为浮子，它是恒差压 p ，变面积 输出信号是用浮子高度表示 而差压式流量计的节流件是孔板，它是恒节流面积 变差压 p ，用差压的变化表示被测流量 述涡轮流量计组成及测量原理？ 答： 涡轮流量计是由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可以实现瞬时体积流量和累积流量的计量。 其原理是通过安装在被测管道上的涡轮流量传感器，将流体的流速转换为安装在管内的涡轮转速，然后通过磁电感应转换器将其转换成与转速成正比的频率电信号。测出频率表示相应流量值，即 ， K 为涡轮流量计系数。 声流量计的特点是什么？其测速方法有几种？ 答： 超声流量计主要特点是： 适用于大管径、大流量及各类明渠、 暗渠流量测量； 对介质无特殊要求，不仅可以测气体、液体，甚至对双相流介质流体流量也可以测量； 是一种非接触式测量仪表，所以不破坏流体的流场，无压力损失，并可以测强腐蚀性、非导电性、放射性流体流量； 它的测量准确度受流体温度、压力、黏度、密度影响极小； 测量范围度宽，一般可达 20:1。 超声测速方法常用有：传播速度差法、频差法及多普勒法。 用标准节流装置测流量时，流体应满足的测量条件是什么？ 答： 流体应满足的条件有 流体在管道内应是满管流状态，被测介质全部充满管道，并且是连续流动； 流体在管内处于 湍流状态，并且是单相流，定常流状态； 节流装置前后设有直管段，一般前面为 10D，后面为 5D（ 直管段部分内不应有凸出物。 述相关法测量气液两相流的原理？ 答： 其原理是在测量管段取两个控制截面 A 与 B，两者相距一段较小的距离 L，在这段距离之中认为流体各相成分过 装 控 整理 20 / 25 含量是不变的。如在截面 A 处布置一台探测器测定两相中一相的含量随时间变化曲线 x(t)，在截面 B 处布置另一台探测器测定同一相的含量随时间变化曲线 Y(t)。然后比较曲线 x(t)和 Y(t)找出形状相同峰值之间的相距时间t 应代表该相流体从 A 截面流到 B 截面的时间。由于已知 相距的距离为 L，则可计算出两相流体的体积流量 式中： A 为管道横截面积； K 为速度偏差系数。 述电容层析成像技术是如何完成被测介质图像重建的？ 答： 电容层析成像（ 统）主要由阵列式电容传感器、电容数据采集系统和图像重建计算机三部分组成的。传感器将两相流体的分布转化为电容信号输出；数据采集系统则将这些电容信号转化为数字量并传给计 算机；计算机则依据一定的图像重建算法完成图像重建工作。 圆齿轮流量计的半月形空腔体积为 要求机械齿轮每转一周跳一个字代表 100L，试想传动系统的减速比应为多少？ 解： 椭圆齿轮流量计的体积流量 4中： n 为椭圆齿轮转速（ r/s）； v 为半月形腔体积（ L）。 因为 v 100L。由上式可求出 n 值 004 v （ r/s） 总之，机械齿轮转一周跳一个字，代表 100L 时，椭圆齿轮要转 50 周，因此减速比为 1/50。 定一台涡轮流量计，当流过 体时，测得输出脉冲为 41701 个，求其仪表流量系数 K 值。 解： 根据涡轮流量计仪表系数定义可知 由题意已知 f 41701 1/s， m3/s，代入上式计算得 K （ 差压变送器与标准节流 装置配套测介质流量。若差压变送器量程是 4100 应输出电信号是 010应被测流量为 0 320 h/求：差压变送器输出信号为 6，对应的差压值及流量值各为多少？ 解： 因为差压变送器的输出电流信号与输入差压值成正比。故有 6010 010000 p 解得 6000p 对应 6流时的输入差压。 过 装 控 整理 21 / 25 因为流量与差压平方根成正比，故可得到 解得 248vq h/对应 6流时的被测流量。 转子流量计用标准状态下的水进行标定，量程范围为 100 1000L/h，转子材质为不锈钢（现用来测量密度为 甲醇，问（ 1）体积流量密度校正系数 0K 是多少？（ 2）流量计测甲醇的量程范围是多少？ 解： （ 1）因甲醇的粘度与水的粘度相差不大，因此可以用下式 计算密度校正系数 0K ： )( )(0 式中 f 、 测 、 水 分别为转子密度、被测液体密度和标定液体密度。 K （ 2）量程范围用下式计算： 水测 测 Q L/h a x 测 Q L/h 所以，量程范围为 114 1140L/h 甲醇。 电磁流量计测某导电介质流量，已知测量管直径 D 240积流量 450vq h/磁极的磁感应强度 B ：检测电极上产生的电动势是多少？ 解： 由电磁感应定律可知感应电动势 而介质的平均流 速2244 由以上两式可得 D v V 孔板测气体介质流量，给定设计参数为 8.0p 20t ，而实际工作参数 p 401t 。现场仪表指示为 3800 h/求实际流量？ 解： 由气体状态方程可推导出如下结果，即 过 装 控 整理 22 / 25 T pq 1 11所以流量111 把 38001 vq h/ p 3131T K， 8.0p T 293K 代入上式计算得 vq h/ 工作原理不同物位 测量仪表有哪些类型？ 答： 按其工作原理主要有下列几种类型： 直读式物位仪表。它们是利用连通器原理，这类仪表有玻璃管液位计等。 差压式物位仪表。它们是利用液柱或物位堆积对某点产生压力的原理。如压力式物位仪、差压式物位仪等。 浮力式物位仪表。它们是利用浮子高度随液位变化而改变液体对浸入液体中浮子的浮力随液位高度而变的原理。如浮子带钢丝绳、浮球带杠杆和沉筒式液位计等。 电气式物位仪表。它们把物位的变化转换成电阻、电感或电容的变化，再通过测量电路转换为电压或电流信号进行物位测量。如电容式物位计等。 核辐射 式物位计。是利用核辐射透过物料时，其强度随物层的厚度而变化的原理。应用较多的是 射线物位计。 声波式物位计。它们是利用物位的变化引起声阻抗的变化，声波反射距离的变化等测知物位。如超声波物位计等。 光学式物位计。利用物位对光波的遮断及反射的原理而工作的。光源可以是白炽灯光或激光。如光纤物位计等。 述电容式物位计测导电及非导电介质物位时，其测量原理有什么不同？ 答： 电容式物位计测导电介质物位时，是改变电容电极覆盖面积的方式，它属于变面积型。当测非导电介 质物位时，相当于电容极板间介质的介电常数发生变化，它属于变介质型电容传感器。 声物位计的测量原理是什么？超声探头是根据什么原理构成的？影响超声物位计测量精度因素是什么？ 答： 超声物位计是根据回声测距的原理进行测量的。超声探头是根据压电元件的压电效应原理制造成换能器，包括发射器和接收器两部分。 影响超声物位计测量精度的主要因素是超声波在介质中传播的速度与介质密度有关，而密度又是介质温度及压力的函数，尤其是温度变化时，声速变化较大，使测量误差增大，因此实际测量中必须对声速进行校正。目前常采用的声速校 正法有固定距离标志法、固定校正具法和活动校正具法等。 波法测物位有何特点？探测器测时间方法有哪些？ 答： 微波测量具有良好的定向辐射性，并且传输性能良好，在传输中受火焰、灰尘、烟雾及强光影响很小。介质对微波的吸收与介质常数成比例，水对微波的吸收最大，基于上述特点对物位进行测量。其主要特点是没有可动部分、不接触介质，没有测量盲区可以测量大型固定顶罐和浮顶罐内腐蚀性，高黏性，有毒液体的液位。而且测量精度不受被测介质温度、压力影响。 反射型光纤液位计的组成原理是什么？ 答： 全反射型光纤液位计 由液位敏感元件、传输光信号的光纤、光源及光检测元件组成。 光纤液位传感元件是由棱镜上烧结或粘结两根大芯径石英光纤构成的。两根光纤中一根与光源耦合称为发射光纤；过 装 控 整理 23 / 25 另一根与光电元件耦合，称为接收光纤。棱镜角度设计应满足如下条件：当棱镜位于气体中光源经发射光纤到棱镜与气体介面时产生全反射，即入射光全部被光电检测元件接收。而棱镜位于液体中，则由于液体折射率比空气大，使入射光的全反射条件被破坏，光线将漏到液体中一部分，使光电检测器收到的光信号减弱，以此来判断棱镜是否接触到液面，从而测量液位。 题图 a）所示，圆筒形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用来测介质液位。绝缘材料相对介电常数为 1 ，被测液体相对介电常数为 2 ，液面上方气体相对介电常数为 3 ，电极各部分尺寸如图 a）所示，并忽略底面电容。求：当被测液体为导体及非导体时的两种情况下，分别推导出传感器特性方程)( 。 解： 根据题意画出该测量系统等效电路如图 b）所示。 其中 1C 和 3C 分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容， 2C 为液面上方气体在容器壁与绝缘套管外表面间形成的电容， 4C 为被测液体在容器壁与绝缘套管外表面间的电容。 根据同心圆筒电容计算公式可得以上电容表达式分别为 )/( 111 )/( 132 )/13 )/24 ， 当被测液为非导体时，则 43432121 )/l n ()/l n ()/l n (121121131131 L 式中 当液体导电时为短路状态。 王化祥习题原稿 图 /l n ()/l n (311 31 A )/l n ()/l n ()/l n ()/l n (311 31211 21 321 21 过 装 控 整理 24 / 25 )/l n ()/l n ( 111311 31 L 式中 )/l n ()/l n (311 31 A