过程控制与自动化仪表(第3版) 第2章 思考题与习题

第第 2 章章 思考题与习题思考题与习题 1基本练习题基本练习题 （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， 并使生产过程按最优化 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： 最大绝对误差： 绝对误差是指仪表的实测示值x与真值 a x的差值， 记为， 如式 （21） 所示： a xx （2-1） 相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为，如式（22）所示： a 100% 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，如式（23）所示： maxmin 100% xx （2-3） 式中， max x 仪表测量范围的上限值； min x 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) 仪表的精度与最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 5001000，它的最大绝对误差为2，试 确定该仪表的精度等级； 答： 根据题意可知：最大绝对误差为2 则精度等级%4 . 0%100 500 2 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 1001000，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型两线制差压变送器，已知其量程为 20100kPa，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型毫伏输入变送器， 其零点迁移值 min 6umV 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 4080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 0100，另一台仪 表的测量范围为 0200，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最常用的接线方式。 2综合练习题综合练习题 （1）某一标定为 100600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/ 100 150 200 250 300 400 500 600 标准表读数/ 102 149 204 256 296 403 495 606 1)试求该仪表的最大绝对误差。 2）确定该仪表的精度等级。 3）经过一段时间使用后，仪表的最大绝对误差为7，问此时仪表的精度等级为 多少？ 答： 1）仪表的最大绝对误差为：6。 2）根据 6 100%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 0.51.4MPa， 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 01.6MPa，02.5MPa，04MPa，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： 最大测量误差为max1.4（5）0.07 Mpa 第 2 章 过程参数的检测和变送 23 1）量程确定： 应满足工作最大压力小于仪表量程的 2/3 处，即 1.4 MPa3/22.1 MPa 可以选量程为 02.5 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%100 5 . 2 07. 0 ，允许的精度等级为 2.5 级。 综上分析，选择量程为 02.5 MPa，精度等级为 2.5 级的弹簧压力表。 该表的最大绝对误差：max2.5（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 ( )3144R T；当温度为 303K 时阻值 2 ( )2772R T。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（24）所示： 0 0 11 ()()R TR TEXPB TT （2-4） 得该热电阻的材料常数 0 0 ln( )ln( ) =2275 11 R TR T B TT 温度系数 2 1( ) ( ) dR TB R TdTT 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 4 10Pa， 对应输出信号为 420mA DC，相应流量为 0320m3/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 250010000 420 4 k 差压值 y = 2500pa 流量值160320 10000 2500 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 1.30.06MPa，现可供选 择压力表的量程有 01.6MPa，02.5MPa，04.0MPa，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： 最大测量误差为max0.06 Mpa 1）量程确定： 应满足工作最大压力小于仪表量程的 2/3 处，即 1.36 MPa3/22.04 MPa 可以选量程为 02.5 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。 0.06 100%2.4% 2.5 ，允许的精度等级为 2.0 级。 综上分析，选择量程为 02.5 MPa，精度等级为 2.0 级的压力表。 该表的最大绝对误差：max2.5（2.0）0.05 MPa，0.06 MPa 所以满足要求。 3设计题设计题 （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 0 E(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 26.9240.798=26.126 mV 26.17625.751=0.425 mV 26.17626.126 63010629 0.425 C 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 1.01.5MPa，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 1.01.5MPa 允许最大误差：emax1.5（ 5） 0.075 MPa 1）量程确定： 应满足工作最大压力小于仪表量程的 2/3 处，即 1.5 MPa3/22.21 MPa 可以选量程为 02.5 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。 0.075 100%3% 2.5 ，允许的精度等级为 3 级。 综上分析，选择量程为 02.5 MPa，精度等级为 3 级的弹簧压力表。 该表的最大绝对误差：max2.5（ 3） 0.075 MPa，=0.075 MPa 所以满足要求。 （3） 如图21所示， 利用双室平衡容器对锅炉汽包液位进行测量。 已知 1 4.52pMPa， 汽 4.52kg/m3， 液 800.4 kg/m3， 冷 915.8 kg/m3， 1 0.8hm， 2 1.7hm。 试求差压变送器的量程，并判断零点迁移的正负方向，计算迁移量。 答： 1）差压液位计的量程为 P ： 1液汽 0.6800.44.529.84679.77PhgPa 当液位最低时，差压液位计的正、负压室的受力为： 11汽2水 PPhghg 11冷2水 PPhghg 则迁移量7144.44PPP 变送器的量程为P=7144.4446