自动检测关键技术及仪表控制系统课后习题及复习资料

1基础知识引论

T、测量范围、测量上、下限及量程

测量范围：仪器根据要求精度进行测量被测变量范围

测量下限：测量范围最小值

测量上限：测量范围最大值

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成稳定状态后，仪表输出改

变量和引发此改变输入改变量之比

灵敏度=---

\U

1.2.4误差

绝对误差：△然ax

绝对误差=示值一约定真值

相对误差：§

相对误差（%）=绝对误差/约定真值

引用误差：丸x

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

许可误差：

最大引用误差W许可误差

1.2.5正确度

仪表正确度通常是用许可最大引用误差去掉百分号后数字来衡量。正确度划分为若干等

级，简称精度等级，精度等级数字越小，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程度

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

课后习题

1.1检测及仪表在控制系统中起什么作用，二者关系怎样？

检测单元完成对多种参数过程测显，并实现必需数据处理；仪表单元则是实现多种控制作用

手段和条件，它将检测得到数据进行运算处理，并经过对应单元实现对被控变量调整。

关系，二者紧密相关，相辅相成，是控制系统关键基础

1.2经典检测仪表控制系统结构是怎样，各单元关键起什么作用？

被控一一检测单元一一变送单元一一显示单元一一操作人员

对象一一实施单元一一调整单元一

作用：被控对象：是控制系统关键

检测单元；是控制系统实现控制调整作用及基础，它完成对全部被控变量宜接测量，也可实

现一些参数间接测量。

变送单元：完成对被测变量信号转换和传输，其转换结吴须符合国际标准信号制式。变：将

多种参数转变成对应统一标准信号；送：以供显示或下一步调整控制用。

显示单元：将控制过程中参数改变被控对象过渡过程显示和统计下来，供操作人员立即了解

控制系统改变情况。分为模拟式，数字式，图形式。

调整单元：未来自变送器测量信号和给定信号相比较，并对由此产生偏差进行百分比积分微

分处理后，输出调整信号控制实施器动作，以实现对不一样被测或被控参数自动调整。

实施单元：是控制系统实施控制策略实施机构，它负责将调整器控制输出信号按实施结构需

要产生对应信号，以驱动实施机构实现被控变量调整作用。

1.4什么是仪表测量范围，上下限和量程？相互有什么关系？

测量范围：是该仪表按要求精度进行测量被测变量范围。

上下限：测量范围最小值和最大值。

量程：用来表示仪表测量范围大小。

关系：量程=测量上限值-测量下限值

1.6什么是仪表灵敏度和分辨率？二者存在什么关系？

灵敏度是仪表对被测参数改变灵敏程度。

分辨率是仪表输出能响应和分辨最小输入量，又称仪表灵敏限。

关系：分辨率是灵敏度一个反应，通常说仪器灵敏度高，则分辨率一样也高。

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：经过温度敏感元件和被测对象热交换，测量相关物理量，即可确定被测对象温

度。

方法：接触式测温：传热和对流需要很好热接触因为测量环境特点，对温度

敏感元件结构和性能要求高

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、运动被测对象。

4.1.2温标

tF=32+%tC

表4-1

t(℃)=Tk-273.15

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，立即两种不一样导体或半导体练成闭合回路，当两个接点处温

度不一样时、回路中将产生热电势。

3.闭合回路热电势:温差电势接触电势接触电势大小取决于两种不一样导体性

质和接触点温度

4.T端称为测量端或热端，To端称为参比端或冷端。

热电偶产生热电势条件：两种不一样导体材料组成回路，两端接点处温度不一样。(必考)

热电势大小只和热电极材料及两端温度相关，和热偶丝粗细和长短无关。（必考）

热电极材料确定以后，热电势大小只和温度相关。

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（TfTo）=EAB（T,TC）+EAB（TC,To）热电偶分度表参比端温度为OC

6.对热电极材料要求：热电性能稳定，物理化学性能稳定，热电特征呈线性或近似线性，价

格廉价

掌握S、K型热电偶

7.一般型热电偶：热惯性大，对温度改变响应慢（绝缘管为瓷管）

凯装型热电偶：热惯性小，对温度改变响应快，挠性好，可普曲，能够安装在狭窄或结构

复杂测量场所。（绝缘材料为氧化镁或氧化铝粉末，套管材料多为不锈钢）

8.热电偶参比端温度处理：

赔偿导线法：延长型：化学成份和被赔偿热电偶相同；赔偿型：化学成份和被赔偿热电

偶不一样；

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

（关键）

参比温度恒温法：

赔偿电桥法

4.2.2热电阻测温

1.原理：金属导体热胀冷缩

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、交换性好、正确度高，

能够用作基准仪表。

缺点：需要电源激励，有白热现象，影响测最精度。

3.钳热电阻

-250℃-650℃,分度号为PtlO（精度高）、PtlOO（常见）、PtlOOO（灵敏度高）

精度高，体枳小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但价格贵。

4.铜热电阻

-40-15（）C,线性好

5.热电阻引线方法

二线制引线电阻带来附加误差

三线制消除引线电阻影响，提升测量精度

四线制用于高精度温度测量

6.热敏甩阻

正温度系数热敏电阻：电阻超出一定温度(居里温度)时随温度升高呈阶跃性增大；

负温度系数热敏电阻：电殂随温度升高哦而减小。

4.3非接触式测温

l.E=£oT‘(全辐射定律)

2.辐射测温仪表组成：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；电绝缪性好，可适适用于强烈电磁干扰、强辐射恶劣环境；体积小、重

量轻、可穹曲；可实现不带电全光型探头。

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国际实用温标作用是什么？它关键由哪几部分组成？

答：作用：由其来统一各国之间温度计量。

国际温标由定义固定点、内插标准仪器和内插公式

4.2热电偶测温原理和热电偶测温基础条件是什么？

答：原理：基丁•热点效应立即两种不一样导体或半导体练成闭合回路、当两个接点处温度不

一样时、回路中将产生热电势。

基础条件：两种不一样导体材料组成回路、两端接点处温度不一样。

4.3用分度号为S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to

答：因为E(t,20)=E(t,0)+E(0,20)

所以E(t,0)=E(t,20)-E(0,20j=E(t,20)+E(20,0)

因为E(t,20)=ll.30mVE(20,0)=0.ll3niV

所以E(t,0)=11.413mV艮I：t=115℃

4.4用分度号为K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=30.1080mv

4.5在用热电偶测温时为何耍保持参比端温度恒定？通常全部采取哪些方法？

答：若参比端温度不能恒定则会给测量带来误差

方法：1.赔偿导线法：延长型：化学成份和被赔偿热电偶相同：赔偿型：化学成份和被赔偿

热电偶不一样：参比温度则量计算方法；参比温度恒温法：赔偿电桥法

4.6在热电偶测温电路中采取赔偿导线时，应怎样接线？需要注意哪些问题？

答：正接正，负接负。

注意问题：1.型号和极性不能接反2.赔偿导线和热电偶相连两个接点温度要相同，以免

造成无须要误差3.赔偿导线要引到温度比较恒定环境(机械零点赔偿)4.不要和强电或

其它干扰源，平行走线。

4.7以电桥法测定热电阻电阻值时，为何常采取三线制接线方法？

答：二线制：传感器电阻改变值和连接导线电阻值共同组成传感器输出值，因为导线电阻带

来附加误差使实际测量值偏高,用于测量精度要求不高场所.而且导线长度不宜过长c

而采取三线制会大大减小引线电阻带来附加误差，提升精度。

4.8由多种热敏电阻特征，分析其各适用什么场所？

答：正温度系数热敏电阻：电阻超出一定温度(居里温度)时随温度升高呈阶跃性增大；适

用场所：

负温度系数热敏电阻：电阻随温度升高哦而减小；适用场所：可广泛应用于温度测最、

温度赔偿、抑制浪涌电流等场所。

4.9分析接触测温方法产生测温误差原因，在实际应用中有哪些方法克服？

答：原因关键包含沿测温元件导热引发误差和测温元件热辐射所引发误差等；

为了降低误差，应注意材料和结构及安装地点选择，并尽可能在测温元件外部加同温

屏蔽罩，加强测温传热器和测温物体间热联络。

4.10辐射测温仪表基础组成是什么？

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辐射测温仪表表观温度和实际温度有什么关系？

答：

4.12某单色辐射温度计有效波长入e=0.9Mm,被测物体发射率£人尸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=L4387410%元Xe=0.9Pm,ex7=0.6,TL=1100℃=1373.5KO

1/TL-1/T=(X/C2)ln(l/sM)

代入数据得T=1436.55K=1163.05℃

4.13光纤温度传感器有什么特点？它能够应用于哪些特殊场所？

答：特点：灵敏度高；电绝缘性能好，可适适用于强烈电磁干扰、强辐射恶劣环境；体积小、

重量轻、可弯曲；可实现不带电全光型探头等。

适用场所：可适适用于强烈电磁干扰、强辐射恶劣环境

5、压力检测

5.1压力单位

常见单位：帕斯卡、千克力、亳米水柱(水头)、亳米汞柱

lkgf/cm2=0.IMpa

10m水深二1个大气压二I千克压力

5.1.3压力检测关键方法及分类

a、重力平衡方法液柱式压力计负荷式压力计(关键形式为活塞式压力计。被

测压力和加于活塞上跌码重量相平衡，将被测压力转换为平衡物重量来测量。这种压力计测

量范围宽、正确度而、性能稳定可靠、能够测量正压、负压和绝对压力，常见作压力校验仪

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，用外力和之平衡，经

过测量平衡时外力能够测知被测压力。

c、弹性力平衡方法利用弹性元件弹性变形特征进行测量。

d、物性测量方法基于在压力作用下，测压元件一些物理特征发生改变原理。

5.2常见压力检测仪表

5.2.1弹性压力计

a、测压弹性元件

弹性膜片：一个外缘固定圆形片状弹性元件。

波纹管：由整片弹性材料加工而成。灵敏度高、用丁测量较低压力或压差

弹簧管：一根弯成圆弧状、含有不等轴截面金属管。刚度较大、关键测高压

b、弹簧管压力计

弹簧管压力计是最常见直读式测压仪表

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

采取膜片、膜盒、波纹管等弹性元件制成压差计.

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、弹性测用计信号远传方法

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“应变效应”，即单导体和半导体材料发生机械变形时，其电

阻阻值将发生改变。

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，适适

用于温度较高地方

缺点：O0OOOO

b、压阻式压力传感器

原理：基于半导体压阻效应（压力硅）

优点：灵敏度高、体积小。

缺点：长久稳定性差、受温度影响大

C、电容式压力传感器

原理：将弹性元件位移转换为电容量改变。以测压膜片作为电容器可动极板。

优点：结构坚实、灵敏度高、过载能力大、精度高、能够测量压力和压差。

缺点：OOOOOOO

d、振频式压力传感器

原理：利用感压元件本身谐振频率和压力关系，经过测量频率信号改变来检测压刀。

优点：体积小、输出频率信号，反复性好、耐振、正确度高、适适用于气体测量,:

C、压电式压力传感器

原理：利用压电材料压电效应将被测压力转换为电信号。是动态压力检测中常见传感器。

优点：体积小、结构简单、工作可靠、频率响应高、不需外加电源

缺点：输出阻抗高，需要特殊信号传输导线、温度效应较大、是动态压力检测中常见传

感器，不适用测量缓慢改变压力和静态压力。

课后习题

5-1简述压力定义，单位及多种表示方法

答：单位面积收到力；帕斯卡、千克力、毫米水柱(水头)、亳米汞柱

垂直作用在单位面积上力，其单位为Pa,(P=F/S)

表示方法：绝对压力：被则介质作用在容器表面积上全部压力

大气压力：由地球表面空气柱重量形成压力

表压力：通常压力测量仪表是处于大气中，其测得压力值等于绝对压力和大气压力之差。

真空度：当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值称为真空度。

差压：设备中两处压力之差。

5-2

答：101.325-0.05=101.275Mpa101.325+0.3=101.625Mpa350kpa

5-3弹性式压力计测量原理是什么？常见弹性原理有哪些？

答：利用弹性元件弹性变形特征进行测量；膜片、膜盒、波纹管、弹簧管

(1)测压原理；利用弹怛元件形变和压力之间存在着确定关系而测量压力，即在进行测量

时，管内引入被测压力，在压力作用下，弹管使自己内部体积向增大方向形变固使弯曲管子

力趋伸直，结果使弹簧管自由端产生一定大小位移，这个位移大小和压力相关。

（2）弹性元件类型：弹性膜片：这是一个外缘固定圆形片状弹性元件。膜片弹性特征通常

由中心位移和压力关系表示。

波纹管：其由整片材料加工而成，是一个壁面含有多个同心环状波纹，一端封闭薄闭园管。

弹簧管：是一根完成圆弧状含有不等轴截面金属管。

5-4

答：电位器式、霍尔元但式、电感式、差动变压器式

5-5

答：相同点：全部是压力引发电阻阻值改变；不一样点：应变式为金属丝，压阻式为半

导体。

5-6

答：将弹性元件位移转换为电容量改变。以测压膜片作为电容器可动极板。

5-7

答：振频式压原理：利用感压元件本身谐振频率和压力关系，经过测量频率信号改变来

检测压力。优点：体积小、输出频率信号，反复性好、耐振、正确度高、适适用于气体测量。

乐电式原理：利用用电材料压电效应将被测压力转换为电信号优点：体积小、结

构简单、T.作可靠、频率响应高、不需外加电源缺点：输出阻抗高，需要特殊信号传输导

线、温度效应较大、是动态压力检测中常见传感器，不适用测量缓慢改变压力和静态压力。

5-8

答：1、取压点位置和取压口形式2、引压管路敷设3、测压表仪表安装

5.11、简述测压仪表选择标准

类型：其应满足生产过程要求（需了解被测介质情况，现场环境及生产过程对仪表要求）

量程：为确保测压仪表安全可靠工作，仪表量程需依据被测压力大小及在测量过程中被

测压力改变情况等条件来选择。

测量精度：生产过程中元件被测压力最大绝对误差应小于仪表基础误差，可在要求精度

等级中确定仪表精度。

测量压差仪表适应注意工作压力选择，应使其和被测对象工作压力相对应。

5-12

答：由题意可知，测量范围为0.5T.4Mpa相对误差为5%

依据测量范围可得，量程应选0-2.5Mpa

相对误差为5席假设示值为100误差为5最大引用误差二（5/2.5）如2%

所以精度为2,参考题中给出精度，选精度为2.5级。

6流量检测

AV

表6-1流量计分类（常见流量检测方法容差式一、速度式u・A）

Ar

体积流量检测方法

（一）、容积式流量计

1、椭圆齿轮番量计

1〉椭圆齿轮番量计适适用于高黏度液体测量，在使用时注意预防齿轮磨损和腐蚀，以延长

使用寿命。

2）使用要求紧密配合，有一定压力，加过滤器。

2、腰轮番量计

1）腰轮番量计能够测量液体和气体，也能够测量高粘度流体。

2）腰轮番量计较椭圆齿轮番星计显著优点是能保持K久稳定性。

（二）、差压式流量计

1、节流式流量计

1）结构简单，无可动部件，可靠性较高，复现性能好。

2）适适用于多种工况下单相流体，适用管道直径范围宽。

3）缺点是流量计前后要求较长直管段，测量范围窄，压力损失大。

2、标准节流装置

标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管

1）标准孔板

标准孔板结构简单，体积小，加工方便，成本低。但其精度较低，压力损失大，只能用于清

沽流体。

2）标准喷嘴

标准喷嘴压力损失较小，测量精度较高，通常见于高速蒸汽流量测量。但它结构复杂，体枳

大，加工困难，成本较高，

3）文丘里管

显著降低压力损失，有较高测量精度，能够用于脏污流体流量测量并在大管径流量测量利用

较多。但它加工困难，成本最高，通常见在有特殊要求场所如低损失，高精度测量。

4）标准节流装置使用条件

节流装置仅适适用于圆形测量管道，在节流装置前后直管段上，内壁表面应无可见坑凹、毛

刺、和沉积物，对相对粗糙度和管道圆度全部有要求，管径大小也有一定限制（D最小250mm）

3、均速管流量计

1）结构简单，便于安装，价格廉价。压力损失小，能耗少，正确度及长久稳定性很好。适

适用于大口径管道流量测量。

2）产生差压信号较低，需要配用低量程差压计，被测流体中不能含有固体粉尘和固体物，

在测量脏污流体时，提议用清洁流对其定时清洗。

4、弯管流量计

1）结构简单，安装维修方便，在弯管内流动无障碍，没有附加压力损失，对介质条件要求

低。

2）缺点是差压很小。

5、靶式流量计

1）靶式流量计结构简单，维护方便，不易堵塞，适适用于测量高粘度、高赃污及有悬浮固

体颗粒介质流量

2）其缺点是压力损失较大，测量精度不高。

6、浮子流量计（力平衡公式△〃・&="/（0-0g）

1）能够测量多个介质流量，更适适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数流量测量。

2）其特点是结构简单，便用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失较小，

测品范闱比较宽。

3）但仪表测量受介质密度、黏度、温度、压力、纯净度影响，也受安装位置影响。

（三）、速度式流量计

1、涡轮番量计

1）涡轮番量计能够测量气体、流体流量。但要求被测介质清洁，而且黏度大液体流量测量,

通常见于测量精度要求高，流量改变快场所。

2）涡轮番量计缺点是制造困难，成本高，轴承易磨损，降低了长久运行稳定性。

2、涡街流量计

1）适适用于气体、液体、和蒸汽介质流量测量，测量几乎不受流体参数影响，涡街流量计

在仪表内部无可动部件，使用寿命长。压力损失小，测量精度也比较高。

2）涡街流量计不足之处，关键是流体流速分布情况和肮动情况将影响测量正确度，旋涡发

生体被玷污也会引发误差。

3、电磁流量计

1）电磁流量计要求被测介质含有导电性，不能测量气体、蒸汽和电导率低石油流量。

2）电磁流量计测量管道中无阻力件，压力损失小；测量范围宽；能够测量脉动流和双相流。

质量流量检测方法

（一）、直接式质量流量测量方法

1、科里奥利质量流量计

1）能够测量多个液体和浆液，也能够用于多相流测量；

2）不受被测介质物理参数影响，不受管内流态影响，对流量计前后直管段要求不高。

3）阻力损失较大，存在零点漂移，管路振动会影响其测量精度。

2、热式质量流量计

1）适适用于微小流量测量。

2）热式质量流量计结构简单，压力损失小。

3）非接触式流量计使用寿命长。

4）缺点是灵敏度低，测品时需要进行温度赔偿。

3、冲光式流量计

1）冲光式流量计结构简单，安装方便，使用寿命长，可靠性高，没有零点漂移。

2）适适用于多种固体粉料介质流量测量。

（二，间接式质量流量测量方法

1、体积流量计和密度计组合方法

2、体积流量计和体积流量计组合方法

3、温度、压力赔偿式质量流量计

思索题

6-1简述流量测量特点和流量测量仪表分类。

答：1）流量测量能够归为体积流量测量和质量流量测量两类

2）流量测量仪表分为体积流量计和质量流量计；体积流量计包含容积式流量计、速度式流

量计、差压式流量计；质量流量计包含推导式质量流量计和直接式质量流量计

2特点流量方程式q、,=半=vA,=pvA

atat

流量计仪表系数K=N/V和流出系数C=

夕＞

流量范围及范围度

测量正确度和误差

压力损失

仪表分类：体积流量计：容积式，差压式，速度式

质量流量计：推导式，直接式

6-2以椭圆齿轮式流量计为例，说明容积式流量计工作原理。

dV

q、'F

椭圆齿轮番最计测量本体友一对相互齿合椭圆齿轮和仪表壳体组成、其工作原理图、两个椭

圆齿轮A/B在进行出口沈体压力差作用下、交替地相互驱动、并各自绕轴作非角匀速度转

动、转动过程中连续不停地将充满在齿轮和壳体之间固定容积内流体一份份地排出、齿轮转

数能够经过机械或其它方法测出、从而能够得悉流体总流量

6-3简述多个差压流量计工作原理。

节流式流量计：节流式流量计测量原理是以能量守恒定律和流动连续性定律为基础

均速管流量计：是基于动压管测速原剪发展而成一个流量计，流体流经均速管产生差压

信号，此差压信号丁流体流量有确定关系，经过差压计可测出流体流量。

弯管流量计：当流体经过管道弯头时，受到角加速度作用而产生离心力会在弯头外半径

侧于内半径侧之间形成差压，此差压平方根于流体流量成正比。

6-4节流式流量计流量系数和哪些原因相关？

答：流量系数和节流件形式、直径比、取压方法、流动雷诺数及管道粗糙度相关

6-5简述标准节流装置组成步骤及其作用。对流量测量系统安装有哪些要求？为何要确保测

量管路在节流装置前后有一定直管段长度？（p76）

答：

6-6当被测流体温度、压力值偏离设计值时，对节流式流量计测量结果有何影响？

6-7.用标准孔板测量气体流量，给定设计参数p=0.8kPa,t=2oO,现实际工作参数

P1=0.4kpa,tx=30E2,现场仪表指示为3800回/h,求实际流量大小。

6-8,一只用水标定浮子流量计，其满刻度值为lOOOdlliU/h,不锈钢浮子密度为

7.92g/tllLJ,现在用来测量密度为0・79g/3乙醇流量，问浮子流量计测量上限是多少？

6-9.说明泯轮番量计原理。某一泯轮番量计仪表常数为K=150.4次/L,当它在测量流量时

输出频率为f=400Hz,其对应瞬时流量时多少？

6-10.说明电磁流量计工作原理，这类流量计在使用中有何要求。

答：1）电磁流量计是基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流

通管道两侧电极上将产生感应电动势，感应电动势大小和流体速度相关，经过测量次电动势

能够求得流体流最。

2）电磁流量计对直管段要求不高，直管段长度为5DT0D；安装地点应尽可能避免猛烈振动

和交直流强磁场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表；水平安装时，两个电极要在同

一平面上。电磁流量计适适用于导电性介质流量测量。

6-11、涡街流量计检测原理是什么？常见漩涡发生体有哪多个？怎样实现旋涡频率检测？

答：（1）涡街流量计检测原理是利用流体振荡原理进行流量测量、当流体流过非流线型

阻挡体时会产生稳定旋涡列、旋涡产生频率和流体留宿有着确定对应关系、测量频

率改变。就可得悉流体流量、

（2）常见漩涡发生体形状为圆柱、三角柱、矩形柱、T型柱和由以上形状组合而成组合形

状

（3）旋涡频率检出有多个方法、可分为一体式和分体式两类、一体式检测元件放在旋涡发

生体内、如热丝式分体式检测元件则装在旋涡发生体下游、如、压电式均利用旋涡发生时引

发波动进行测最、旋涡频率采取热敏电阻检测方法、在三角主体迎面对称嵌入两个热敏电阻、

通入恒定电流加热电阻、使其温度稍高于流体、在交替产生旋涡作用下、两个电阻被周期冷

却、使其阻值改变、阻值改变有电桥测出、即可测得旋涡产生频率、从而知流量

6-12、说明超声流量计工作原理，超声流量计灵敏度和哪些原因相关？

答：1）超声流量计是利用超声波在流中传输特征实现流量测量。超声波在流体中传输，将

受到流体流速影响，检测接收超声波信号能够测知流速，从而求得流体流量。

6-13、质量流量测量有哪些方法。

答：直接测量和间接测量

直接式质量流量计：仪表输出直接和质量流量成正比

推导式质量流量计：经过对体积流量和密度同时测量，然后把结果送入计算单元，经过

运算求出质量流量。

温度，压力赔偿式,质量流量计：同时测出体积流量，温度和压力，由温度和压力等参数

和密度关系，经过运算装置算出介质密度，再算出质量流最。

6-14.为何科氏流量计能够测量质量流量？（p89）

6-15.说明标准流量装置作用，有哪多个关键类型？

答：标准容积法、标准质量法、标准流量计法、标准体积管法。

7物位检测

7.1.1物位定义：物位统指设备和容器中液体或固体物料表面位置，是液位、料位、界位总

称。

液位：是指设备和容器中液体介质表面高低。

料位：是指设备和容器中所贮备块状、颗粒或粉末状固体物料堆积高度。

界位：是指相界位置。比如不互容两种液体、固液之间分界面。

7.1.2物位检测分类

一、按测量方法

1、连续测量：连续性测量能连续测量物位改变。

2、定点测量：只能测量物位是否达成上限、下限或某个特定位置.，定点测量通常为物

位开关。

二、按工作原理

1、直读式物位检测仪表：能直接显示容器中物位高度，方法可靠、正确，但只能就地

指示。

2、静压式物位检测仪表：适适用于液位检测。

3、浮力式物位检测仪表：适适用于液位检测。

4、机械接触式物位检测仪表：经过测量物位探头物位接触时机械力实现物位额测量。

5、电气式物位检测仪表:将电气式物位敏感元件置于被测介质中，物位改变会引发电气

参数改变从而检测这些参数即可知物位改变。

6、其它检测方法：声学式、射线式、光纤式仪表等等。

7.2常见物位检测仪表

7.2.1静压式液位检测仪表

静压差计算公式：A/?=prp=Hpg

其中，为容器上部空间压力，p“为零液位处压力。

7.2.11压力、差压式液位计

对于敞口容器上式中P,为大气压力，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪

表指示表压力即反应对应液柱静压。

差压计连接：正压侧于容器底部相通，负压侧连接容器上部气空间。

差压计安装在最低液面以卜时加在压差计两侧差压为：△〃=4吆+〃（注：测量仪

表安装高度工容器液位）

对于有可疑凝结蒸汽或采取隔离介质液位测量系统,差压计负压侧通常有一个固定压力

偏置量，此时差压为：&7=”夕产一（九一九）,g。

7.2.1.2吹气式液位计

优点：因为检测点移至顶部，其维修均很方便。

缺点：其测量精度受测压表精度，液体温度和密度对其检测有影响。

7.2.2浮力式物位检测仪表

7.2.2.1浮子式液位计

（1）是一个恒浮力式液位计。

（2）基础原理：经过测量漂浮于被测液面上浮了伴随液面改变而上下移动而产生位移来检

测液位高低，其所受浮力大小一定。即检测浮子所在位置可知液面高低八

（3）浮子形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等。下面以圆柱形为例来作分析。

7.2.2.2浮筒式液位计

（1）是一个变浮力式液位计。

（2）基础原理：利用浮筒被液体浸没高度不一样引发浮力改变来检测液位。

7.2.3其它物位检测仪表

7.2.3.1电容式物位计

（1）原理：基于圆筒形电容器电容值随物位而改变。

\C=kH

ln(D/d)

一定条件下，k4一0为常数,则△。和，成正比，测量电容改变量即可得物位。

ln（D/J）

（2）电容式物位计能够测量液位、料位和界位，关键由测量电极和电容检测电路组成。

（3）常见电容检测方法有交流电桥法、充放电法、谐振电路法。能够输出标准电流信号，

实现远距离传送。

（4）特点：电容式物位-通常不受真空、压力、温度等环境条件影响；安装方便，结构牢

靠，易维修；价格较低。不过不适合于以下介质：如介质介电常数随温度等影响而改变、

介质在电极上有沉枳或附着、介质中有气泡产生等情况.

7.2.3.2超声式物位计

（1）原理：利用声波一些特征制成。如声波阻断式一固体、液体或气体对声波吸收能力不

一样（气体最大，固体最小），由接收超声波可知物体是否达成预定位置，可实现报警或定

位检测。H=-ct

（2）应用范围：液位、物位。（对环境适应性较强，应用广泛）plOl

（3）特点：无机械可动部件，安装维修方便；超声换能器寿命长；能够实现非接触式测量,

适合于有毒、高粘度及密闭容器物位测量；对环境适应能力强，应用广泛。

（4）缺点:在检测中易受介质温度、成份等改变影响。

7.2.3.3核辐射式物位计

（1）原理;核辐射式物位计是利用核辐射线在穿透物质是将被衰减现象来确定物位。（射线

在穿透物质时，它强度随物质层厚度指数降低，只要测出经过物质前后辐射强度，就可知厚

度物位。）

（2）组成：射线源、防护容器、射线检测器、电子转换和指示电路。

（3）检测方法：有固定安装式和随动式两种

（4）特点：含有非接触式测量特点，可用于高温高压、真空密闭等多种容器中液体或固体

物料物位测量；可适应腐蚀、有毒、高粘度、爆炸性等多种困难介质和高温、高湿、多粉生、

强干扰等恶劣工作条件。其放射性安全防护方法需按相关规范操作。

7.2.3.4物位开关

（1）用于定点测显，检测物位是否达成预定高度，并发出对应开关晟信号。

（2）特点：简单、可靠、使用方便，适用范围广。

7.3影响物位测量原因

一、液位测量特点

（1）液面波动（物料流进流出、沸腾或泡沫）

（2）大型容器中各处物理量（温度、密度和粘度）分布不均

（3）液体处于特殊状态中（高温、高压、高粘度、含大量杂质）

二、料位测量特点

（1）料面不规则

（2）物料排出后有滞留区

（3）物料间空隙不稳定

三、界位测量特点

存在浑浊段

课后习题

7-1常见液位测量方法有哪些？

（1）压力式液位计：依据静止介质某一点所受压力和此点上方介质高度成正比，利用

压力表来显示其高度。（2）直读式：直接是用和被测容器连通玻璃管来显示容器内物位高度,

或在容器上开有窗口直接观察物位高度。（3）浮力式：利用漂浮在液面上浮子位置随液位改

变来测量定位。（4）电气式：将物位改变转换为一些电量参数改变而进行间接测量。（5）声

波式：因为物位改变引发声波遮断。（6）光学式：利用物「立对光波遮断和反射原理进行测量。

（7）核辐射式：放射性同位素放出射线被中间介质吸收而减弱。

7-2对于开口容器和密封压力容器用差压式液位计测量时有何不一样？影响液位计测量精

度原因有哪些？

对于开口容器，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示表压

力即反应对应液位静压。对于密封压力容器，可月差压计测量液位。差压式正压

侧和容器底部相通，负压侧连接容器.上部空间。可求液位高度。

原因：液位计本身精度、和液位温度对其密度影响、物料本身性质如温度、粘度、

液面稳定、料面是否规则。

7・3利用差压变送器测量液位时，为何要进行零点迁移？怎样实现迁移？

（1）进行零点迁移原因：因为测压仪表安装位置通常不能和被测容器最低液位处于同

一高度上，所以，在测量液位是，仪表量程范围内会有一个不变附加值。

（2）怎样实现：对感压原件预加一个作用力，将仪表零点迁移到和液位零点相重合，

即实现零点迁移。

7・4恒浮力式液位计和变浮力式液位计测量原理有什么异同点？在选择浮筒式液位计时，怎

样确定浮筒尺寸和重量？

恒浮力式液位计和变浮力式液位计全部属于浮力式物位检测仪表，全部是基于力平衡原

理，利用液体浮力进行液位测量。恒浮力式是靠浮子随液面升降位移反应液位改变：而变浮

力式则是靠液面升降对物体浮力改变反应液位改变。

在选择浮筒式液位计时，要依据其测量原理选择浮筒尺寸和质量。

设浮筒重力为G,浮力为W,则悬挂点所受重力F二G-W,

,,,冠）2„

W=-----席H

乂知浮力、为4

故：

F=G-W=G-^DzpgH

式中，D为浮筒直径5："为被测液体密度；H为浮筒浸入液体部分高度。所以浮筒所受重

力F和液位H呈线性关系，液位越高，力越小。为了提升灵敏度，应使H前系数尽可能大,

所以浮筒直径D也是越大越有利。而且，为了有较大量程，浮筒长度L也要尽可能大。相

关浮筒质量选择依据零点消失标准进行。

7-5物料料位测量和液位测量有什么不一样特点？

从概念上说，物料料位是指设备和容器中所储存块状、颗粒或粉末状固体物料堆积高度,

其是针对固体进行测量；而液位是指设备和容器中液体介质表面而低，其是针对液体测量。

因为测量对象性质不一样，在测量方法选择上也有所不一样。通常全部物质检测方法和

物位检测仪表全部能够进行液位测量，而只有机械接触式、电气式、超声式、核辐射式等适

适用于料位测量。故在测量方法和测量仪表选择上，料位相对于液位有一定不足。

7-6电容式物位计、超声式物位计、核辐射式物位计工作原理，各有何特点？

（1）电容式：基于圆简形电容器电容值随物位而改变。（2）超声式：利用回声测距原

理，由发射探头发出超声冰冲，在介质中传到界面反射再返回到操头接收。（3）核辐射式：

以核耦射式穿透性和物质对射线吸收特点为基础，试验证实，射线等穿透物质后，其强度随

物质层厚度展现指数规律衰减。

8机械量检测

机械量包含长度、位移、转角、转速、力、力矩、振动等。其中直线位移是机械量基础参数。

如：表8-1

8.1模拟式位移检测

方法有：电容式位移险测、电感式位移检测、差动变压器位移检测、光纤位移检测、光

学数字式位移检测（光栅标尺、CCD图像传感元件）

8.1.1电容式位移检测（。二百巳）

d

r

变极距法（变4）

变面积法（变S）

在两个固定极板之间设置可动极板（变£）

8.2.1电感式位移检测方法

电感式位移传感器分自感式和互感式。

电感式位移检测和电容式位移检测全部是和被检测对象非机械接触检测方法。

8.1.3差动变压器位移检验方法（是互感式位移检测方法）P106

8.1.4光纤位移检测方法（利用光纤检测位移一个方法）

伴随被检测物体位移改变，重合部分光强发生改变，依据光强信号检测位移。

8.2光学数字式位移检测一（光栅尺）

数字式位移检测室利用栅格编码器将长度或角度改变直接转换为脉冲个数或二进制符

号方法，如光栅标尺、容栅标尺等。

8.2.1光栅标尺（P107）

CCD图像传感元件（P109）

8.3转速检测（关键指数：两颗星）

方法：离心力检测法，光电码盘转速检测法，空间滤波器式检测法。

离心力检测法原理：质量m重物旋转时受到离心力远离主轴，这将克服弹簧力

向上拉套筒，套筒升降经过齿轮带动指针转动，从而直接读数。正确度：上下1%

（关键思想：离心力一一弹簧力一一套筒升降一一齿轮带指针转动一一读数）

光电码检测法：将对转速测量转化为脉冲序列，统计单位时间内脉冲数，经过脉冲个数

测量转角即得到转速。

空间滤波器式检测法特点：不需要在旋转物体上或周围做任何记号，多用于检测不规则

物体移动速度。

8.4力检测（关键指数：两颗半星）

本章关键检测方法：金属应变元件，半导体应变元件，压电效应，压敏导电橡胶（1,2

相对较关键。）

力检测关键原理基础：弹性元件受力作用时将发生弹性形变，弹性体变形造成电阻值改

变，电阻通电转化为电压，测电压即可求得对应力大小。

1金属应变元件

原理：在拉伸力作用卜，金属丝被拉长，所以截面积缩小，造成电阻率改变。

注：给金属丝通电流，测电压即可测得电阻，对应即可知道应力。

2半导体应变元件

原理：元件受力形变，应变对元件电阻率大幅度改变，从而造成电阻改变，将元件通电流,

测元件两段电压，经过电压改变即可推断力大小。

优点：反应灵敏，体积小，广泛用在压力传感上。

缺点：温度依靠性大，需要电路赔偿，价格高。

3压敏导电橡胶

原理：元件受力变形电阻攻变，通电，测电压，即反推得到力大小。

9成份分析仪表

成份分析仪表是对物质成份及性质进行分析和测最仪表.

一、成份分析方法及分类5117）

成份分析方法有两种类型：一个是定时取样，经过试验室测定试验室分析方法；另

•个是利用能够连续测定被测物质含量或性质自动分析仪表。

现在，按测量原理分类，成份分析仪表有以下多个型式：

1）电化学式：如电导式（EC）,电位式，酸度计，离子浓度计等。

2）热学式：如热导式、热谱式、热化学式等。

3）磁学式：如磁式氧气分析仪、核磁共振分析仪等。

4）射线式：如X射线分析仪、丫射线分析仪、同位素分析仪、微波分析仪等。

5）光学式：如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射、光干涉式光学分析仪等。

（分光仪、比色仪）

6）电子光学式和离子光学式：如电子探针、离子探针、质谱仪等。

7）色谱式：如气相色谱仪、液相色谱仪等。

8）物性测量仪表：如水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计等。

9）其它：如半导体气敏传感器。

二、自动分析系统（检测器是分析仪表关键）

1、自动分析系统通常是和试样预处理系统组成一个分析测量系统，以确保其良好偶环

境适应性和高可靠性以使分析仪表示值能代表被监测成份。

2、自动取样装置作用是从生产设备中自动、快速提取待分析样品。预处理系统能够采

取冷却、加热、气化、减压、过滤等方法。取样和试样制备必需注意避免液体试样分^作用

或气体试样中一些组分被吸附情况。

三、多个工业用成份分析仪表

1、热导式气体分析器：利用不一样气体导热特征不一样原理进行分析。优点有机构简

单、工作稳定、体积小。（热导式气体分析器关键是测量室）

（1）经试验测定，气体中氢和氮导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫导热能力较弱。气

体导热率还和气体温度相关。

（2）热导式气体分析器关键是测量室，称为热导池。热导池是用导热良好金属制成长圆柱

形小室，室内装有一根丝钳或鸨电阻丝，电阻丝和腔体有良好绝缘。

热导池有不一样结构型式，现在常见是对流扩散式结构型式。热导式分析仪表通常采取

桥式测量电路。

四、氧化一氧分析器

（1）氧化错氧分析器是属于电化学分析方法，这种分析器优点是灵敏度高、稳定性好、对

应快、测量范围宽（从ICT6到百分含量），而且不需复杂采样和预处理系统，它探头能够

直接插入烟道中连续地分析烟气中氧含量c

（2）氧化错分析器基础工作原理基于氧浓差电池（原电池）。氧化倍（ZrO2）是一个陶瓷

固体电解质，在高温下有良好离子导电特征。浓差电池左侧为被测气体，右侧为参比气体，

参比气体通常为空气。

（3）氧化错分析器正常工作必需条件：

a、工作温度要恒定，传感器要有温度调整控制步骤，通常工作温度保持在T=85G℃,

此时灵敏度最高，工作温度改变直接影响氧浓车电势E大小，传感器还应有温度赔偿步躲。

b、必需要有参比气体，参比气体氯含量稳定不变。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）氧化错分析器安装方法有直插式和抽吸式。

五、半导体气敏传感器

半导体气敏传感器是采取半导体材料为敏感材料制成一个气敏传感器类型。这类传感器

能够经过在半导体材料中添加多种催化剂来改变其关键敏感对象，但却极难消除对其它共存

气体影响，而且它信号线性影响范围窄，通常只用于定性及半定量范围气体检测。

半导体气敏传感器根据半导体物性改变特点，可分为电阻型和非电阻型两类。

气敏传感器通常由气敏元件、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。溶液酸碱性能够用氢离子浓度［叵I］大小来表

示。通常见pH值来表示溶液酸碱度，定义为：

+

pll=-lg|H||/,H__，e［WlJ

和之对应有；川-7为中性溶液，刈>7为碱性溶液，pll<7为酸性溶液。

（1）pH值得检测采取电位测量法。测量pH值通常使用参比电极和测量电极和被测溶液共

同组成pH测量电池。参比电极电位是一个固定常数。电池电势为参比电极和测量电极间电

极电位差值。依据能斯特公式有：

RT-

E=-2.303—pHx

r

式中，E为电极电势，V：R为气体常数，R=8.314J/（nio：・K）；T为热力学温度，K：F为法

拉第常数，卜=9.6487工1。切小汕为被测溶液阴值。

（2）工业用参比电极通常为甘汞电极或银-氯化银（Ag/AgCl）电极。（pl29）

（3）玻璃电极是使用最为广泛测吊电极。

七、湿度检测

1、湿度是表示空气中水汽含量物理量。

（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

含水汽质量数，单位为回III相对湿度是单位体积湿气体中所含水汽质量和相同条件下

饱和水汽质晟之比，用百分数表示。

（2）湿度检测方法有露点法、毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。对湿度传感器要求：

工作可靠，使用寿命长，有较快响应速度，受温度影响小，交换性好，制造简单，价格廉价。

八、干湿球湿度计

干湿球湿度计使用十分广泛，常见于测量空气相对湿度。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棉

纱吸水套，并常常保持湿润，称为湿球温度计。

Pws-Ap(td-tw)

(p=----------------------

__________Pds

式中，@为相对湿度；国为干球温度下得饱和水汽压；后］为湿球温度卜饱和水汽压:

13为湿空气总压；国为干球湿度：目为湿球湿度：目为仪表常数，它和风速和温度传

感器结构原因相关。

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。多孔陶瓷表面枳大，易于吸湿和

去湿，能够缩短响应时间C陶瓷传感器感湿机理通常是利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子

进行吸湿或脱湿，使电极同电阻值随相对湿度而改变。这类传感器制作型式能够为烧结式、

膜式及MOS型等。这类元件特点是体积小，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，长久稳定性好。

课后习题

9-1,在线成份分析系统为何要有采样和试样预处理装置？采样和试样预处理装置能够

确保在成份分析系统良好环境适应性和高可靠性，以使分析仪表视值能代表被监测部分。采

样装置作用是从生产设备中自动、快速提取待分析样品；预处理装置可采取多个方法对采集

样品进行合适处理，为分析仪器提供符合技术要求试样。

9・2、简述热导式体分析器工作原理，对测量条件有什么要求？

工作原理：因为气体组份含量不一样，混合气体导热能力将发生改变，利用混合气体导

热能力差异进行含量分析，

要求：实际测量中，要求混合气体中背景组分导热率必需近似相等，并和被测组分导热

率有显著差异，对于不能满足这一要求气体可采取预处理方法。

9-3

机理为：红外线气体分析那属于光学分析一表中一个。它是利用不一样气体对不一样波

长红外线含有选择性吸收特征来进行分析。通常由红外海射源、测量气样室、红外探测装置

组成。

9-4

氧化钻分析器基础工作原理基于氧浓差电池。浓差电池内在氧化钻陶瓷体两侧烧结一层

多孔钻电极，当两侧气体含氧量不一样时，在两极间将产生浓差电势。条件要求为：工作温

度要恒定，传感器耍有温度调整控制步骤；必需耍有参比气体，参比气体氧含量稳定不变；

参比气体和被测气体压力应该相等。

9-5

基础步骤有分析步骤和分离步骤。

9-6,半导体气敏传感器有哪多个类型？

半导体气敏传感器类型根据半导体物位改变特点，可分为电阻型和非电阻性两类。根据

半导体和气体相互作用是在其表面或内部，又可分为表面控制型和体控制型两种。

9-7

直接电位法测量溶液酸度就是用pH测量电池进行测量，测量电极插入溶液中会和溶液

产生电极电势，电池电势为参比电极和测量电极间电极电位差值，其大小就代表溶液中氢离

子浓度，即溶液酸度。

9工、简述湿度测量特点，常见湿度测量方法有哪些？

湿度测量方法很多，传统方法是露点法，毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。工业过程检

测和控制对湿敏传感器有一下要求：（I）工作可靠，使用寿命长；（2）在气体环境中特征稳

定，不受尘埃、油污附着影响；（3）满足要求湿度测量范围有较快对应速度：（4）能在.30°

-100°c环境温度下使用，受温度影响较小：（5）交换性好，制造简单，价格廉价。

10仪表系统分析

表1U-1DDZ-H型和DDZIH型仪表比较2137）

仪表系统数学模型类型有：

时域模型，频域模型，离散模型。

思索题和习题

1常见仪表是怎样进行分类？各有什么特点？

①按使用性质分为标，佳表（用于校验非标准仪表使月，经过了计量部门定时检定并含有

合格证书）、试验室用表（用于科学试验研究）、工业用表（长久安装使用在工业生产中）②

按测量方法分为直读仪表（能够宜接读取被测量值）和比较仪表（采取某种方法经过未知量

雨已知量相比较而得出被刻量值）③按原理性连接方法分为串联（各功效模块首尾相接前后

串联）、反馈（某个功效模块输出重新输入到本身输入端或其前某个功效模块输入端，从而

组成正反馈或负反馈作用）④按信号传输方法分为电动仪表（以电量为传输信号，信号可远

传，但无特殊处理方法，会引发活在和爆炸）、气动仪表（使用压缩空气来传输信号，反应

动作慢，投资大）⑤按组成方法分为基地仪表（通用性差）、单元组合式仪表（只完成单一

功效，不过比较灵活）、组件组装式仪表（可依据需要选择多个插件，常见在计算机控制系

统中）⑥按安装使用方法分为现场安装仪表（防爆，防腐，抗震）、盘