化工仪表与自动化第五版第三章作业及答案

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1、第三章1 什么是真值？什么是约定真值？相对真值？答： 真值是一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。所以在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值是指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/31/20时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。2什么叫仪表的基本误差、测量误差和附加误差?有何区别?答：仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。仪表在制造厂出厂前，都要在规定的条件下进行校验。规定条件一般包括环境温度、相对湿度、大

2、气压力、电源电压、电源频率、安装方式等。仪表的基本误差是仪表本身所固有的，它与仪表的结构原理，元器件质量和装配工艺等因素有关，基本误差的大小常用仪表的精度等级来表示。使用仪表测量参数时，测量的结果不可能绝对准确。这不仅因为仪表本身有基本误差，而且还因为从开始测量到最后读数，要经过一系列的转换和传递过程，其中受到使用条件、安 装条件、周围环境等一系列因素影响，也要产生一定的误差。所以在很多情况下，仪表的显 示数值与标准值(真实值)之间存在着一个差值，这个差值称为测量误差。通常情况下，仪表的测量误差大于基本误差，因为测量过程还产生-二些附加误差。附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生

3、的误差。如电源波动附加误差，温度附加误差等。3什么是仪表的反应时间?用什么方法表示?答：当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总要经过一段时间后才能准确地显示出来。反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快地反应出参数变化的品质指标。反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。反应时间的表示方法有两种。 (1)当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的632所用的时间，即为反应时间。(2)用变化到新稳态值的95所用的时间来表示反应时间。4什么是压力?它的法定计量单位是什么? 答：压力是垂直均匀地作用在单位

4、面积上的力。它的法定计量单位是帕斯卡(简称帕)，符号为P a。1Pa就是1牛顿(N)的力作用在1平方米()面积上所产生的压力，即1pa=11Mpa=1000kpa=pa5写出其他压力单位与法定压力单位Pa(帕斯卡)之间的换算关系。答：1毫米水柱(mm)一9806375Pa981Pa1工程大气压(kgf)一980665Pa981Pa1物理大气压(atm)一101325Pa10133Pa1巴(bar)=1000mbar=Pa6什么叫绝对压力、表压及真空度?它们的相互关系是怎样的?答：绝对压力 绝对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力。表压力 当绝对压力大于大气压力时，绝

5、对压力高于大气压力的数值称为表压力，简称表压。真空度当绝对压力小于大气压力时，绝对压力低于大气压力的数值称为真空度或负压。绝对压力、大气压、表压、真空度之间的相互关系如图31所示。7弹性压力表有哪些弹性元件?各有什么用途?答：弹性压力表是压力测量中最广泛应用的一种仪表，它是根据各种弹性元件在被测介质压力作用下产生弹性变形的大小来测量压力的。常用的弹性元件有下列六种：单圈弹簧管、多圈弹簧管、(以上两种是测高压、中压、低压用的)、波纹膜片、膜盒、挠性膜片、波纹管(上述四种是测微压和低压用的)。8试述弹簧管压力表的基本工作原理。答：弹簧管压力表是利用弹簧管在正压或负压的作用下，自由端产生位移，带动传

6、动机构使指针偏转，从而指示出压力值的。9霍尔压力传感器是怎样工作的?它为什么能将压力的变化线性地转换成霍尔电势?答：霍尔压力传感器是利用弹性元件的变形位移，然后再利用固接在弹性元件位移部分的霍尔片在磁场中移动，使通过霍尔片的磁感应强度发生变化，从而引起霍尔电势的变化而工作的。它之所以能将压力的变化线性地转换成霍尔电势，是因为它将霍尔片放置在如图32所示的线性非均匀磁场中，霍尔片处于线性非均匀磁场的中间位置时，霍尔片左右两半所通过的磁通方向相反，大小相等，故在霍尔片左右两半产生的霍尔电势也是大小相等方向相反的，故导出端的总电势为零。当霍尔片随弹性元件的变形位移而发生位移后，霍尔片左右两部分所通过

7、的磁通不仅方向不同，且大小也不相等，故其电势导出端的总电势不再为零，其大小与霍尔片位移有线性关系(因该磁场采用了特殊形状的极靴，使磁感应强度的分布呈线性规律)。这就是霍尔压力传感器能将压力的变化线性地转换成霍尔电势的原因。10什么叫应变片?如何用它来测量压力?答：应变片是由排列成栅状的高阻金属丝、高阻金属箔或半导体粘贴在绝缘的基片上构成。上面贴有覆盖片(即保护片)，电阻丝两端焊有较粗的铜丝作引线，以便与测量电路连接。如图33所示。应用时，先将应变片牢固地粘贴在试件表面，使其组合成一体，这样当试件受力产生变形时，应变片随同试件表面一起变形，从而引起电阻变化，变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正

8、比，最后通过测量电路和转换电路，输出相应的电压和电流。应变片是一种重要的测量敏感元件，它有很多品种系列。长的有几百毫米，短的只有0.2mm，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案，可以用在高温、低温和其他各种场合，其用途主要在实验应力分析中测量应力，但也可以做成各种类型的传感器，如压力传感器、加速度计、线位移传感器等。11简述压阻式压力传感器的工作原理及特点。答：压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、

9、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。12什么是两线制?两线制有什么优点?答：两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线即是电源线，又 是信号线。与四线制(两根电源线，两根信号线)相比，两线制的优点是： (1)可节省大量电缆线和安装费用；(2)有利于安全防爆。 13什么叫智能检测仪表?它有什么特点?答：智能检测仪表就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的仪 表。例如，用带有温度补偿的电容传感器与微 处理器相结合，构成精度为01级的压力或差 压变送器，其量程范围为100 :1，时间常数在 036s间可调，通过手持通信器，可对1500m之

10、内的现场变送器进行工作参数的设定、量程 调整以及向变送器加入信息数据。智能型变送器的特点是：(1)可进行远程通信，利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择与标定，(2)精确度高，使用与维修方便I(3)通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程；(4)使变送器与计算机、控制系统直接对话I(5)长期稳定工作能力强，每五年才需校验一次。14什么叫流量和总量?有哪几种表示方法?互相之间的关系是什么?答：流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。总量是在一段时间内流过管道的流体流量的总和。

11、流量分体积流量、质量流量。单位时间内流过的流体以体积表示的，称为体积流量，常以Q表示。单位时间内流过的流体以质量表示的，称为质量流量，常以M表示。它们之间的关系是：式中流体的密度。15什么是节流现象?标准的节流体有哪几种?应用最广泛的是哪种?答：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。标准的节流件有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。应用最广泛的是标准孔板。它已有100多年的历史，至今它是世界上应用最广，最成熟，测量较准确的测量工具。16试简述涡轮流量计的测量过程及其特点。 答：涡轮流量计是先将流体的流速(流量)转换为安装在管道内的涡

12、轮的转速，然后通过磁电感应转换器将其转换为相应电信号的频率来进行测量的。 涡轮流量计的特点是安装方便、测量精度高、可耐高压、响应快、可浈IJ脉动信号、输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。涡轮流量计的涡轮易磨损，因此一般应加过滤器。为使流向比较平稳，其前后应保证有一定的直管段。17试简述电磁流量计的工作原理及其特点。答：电磁流量计是基于电磁感应定律工作的。它是将流体的流速转换为感应电势的大小来进行测量的。电磁流量计的特点有：（1)电磁流量计由于没有可动部件和插入管道的阻力件，没有使流体收缩和改变流体的 流柬，所以压力损失小，也很少堵塞，对测量导电性液体是较为适用的。另外，由于电磁流 量计的

13、衬里和电极是防腐的，所以也用来测量腐蚀性介质的流量。(2)电磁流量计流速测量范围很宽(0.510ms)，口径从1mm到2m以上，反应快、惰性小。可用于测量脉动流体、双相流体以及灰浆等含固体颗粒的液体流量。18什么是漩涡流量计?简述其工作原理?答：漩涡流量计又称涡街流量计也叫卡曼涡街流量计。它是利用流体自然振荡的原理制成的一种漩涡分离型流量计。当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时，若该物体的几何尺寸适当，则在物体的后面，沿两条平行直线上产生整齐排列，转向相反的涡列。涡列的个数，即涡街频率， 和流体的速度成正比。因而通过测旋涡频率，就可知道流体的流速，从而测出流体的流量。19试述物位测量

14、的意义及目的。答：通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物料的体积或重量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。所以，一般测量物位有两种目的：一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储存库中的原料、辅料、半 成品或成品的数量；另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。20根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型?它们的工作原理各是什么?答：按其工作原理主要有下列几种类

15、型。(1)直读式物位仪表这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。它们是利用连通器的原理工作的。(2)差压式物位仪表这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。它们是利 用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。(3)浮力式物位仪表这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒 式的几种。它们是利用浮子的高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子(或沉 筒)的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。(4)电磁式物位仪表这类仪表可分为电阻式(即电极式)、电容式和电感式等几种。它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。另外，还 有利用压磁效应

16、工作的物位仪表。(5)核辐射式物位仪表这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而 变化的原理而工作的，目前应用较多的是7射线。(6)声波式物位仪表这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。它们的原理是：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的 不同，测出这些变化就可以测知物位。 (7)光学式物位仪表这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。21什么是液位测量时的零点迁移问题?怎样进行迁移?其实质是什么?答：在使用差压变送器测量液位时，一般压差与液位高度H之间的关系为：= 。这就是一般的“无

17、迁移”的情况。当Ho时，作用在正、负压室的压力是相等的。实际应用中，有时为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。如图21所示。- +H设被测介质密度为，隔离液密度为：(通常)，此时正、负压室的压力分别为：正负压室间的压差为：当H=0时，此为“有迁移”情况。若采用的是DDZ型差压变送器，其输出范围为420mA的电流信号。“无迁移”时，H0，0，变送器输出4mA；。“有迁移”时，H0，为了使液位的零值与满量程能与变送器输出的上、下限值相对应，即在“有迁移”情况下，使得当H0时，。可调节仪表上的迁移

18、弹簧，以抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。这里迁移弹簧的作用，其实质就是改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。22试述温度测量仪表的种类，各使用在什么场合？答：按照测量方式的不同，温度测量仪表可以分为接触式与非接触式两类。前者测温元件直接与被测介质接触，这样可以使被测介质与测温元件进行充分的热交换而达到测温目的。后者测温元件与被测介质不相接触，通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的。接触法测温时，直接测得被测物体的温度，因而简单、可靠、测量精度高。但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，因而产生了测温的滞后现象，对运动状态的固体测温困难较大。另外，测

19、温元件容易破坏被测对象温度场，且有可能与被测介质产生化学反应。由于受到耐高温材料的限制，也不能应用于很高的温度测量。非接触法只能测得被测物体的表观温度（亮度温度、辐射温度、比色温度等），一般情况下，要通过对被测物体表面发射率修正后才能得到真实温度。而且，这种方法受到被测物体到仪表之间的距离以及辐射通道上的水气、烟雾、尘埃等其它介质的影响，因此测量精度较低。非接触法测量在原理上不受温度上限的限制，因而测量范围很广，由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，可以用来测量运动物体的表面温度。23热电偶温度计为什么可以用来测量温度?它由哪几部分组成?各部分有何

20、作用? 答：热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。如图22所示。+ +_ _+_ AB图2-2 热电偶测温原理A、B为两种不同材料的金属导体，若把两根导体两端焊接在一起，形成闭合回路。由于A、B两种不同的金属，它们的自由电子密度不相同，则在两接点处形成了两个方向相反的热电势(设tto)。这样，就可以用图315(b)作为(a)的等效电路，其中，为热偶丝的等效电阻。在此闭合回路中总的热电势为：当A、B材料确定后，热电势是接点温度t和的函数之差。若一端温度保持不变，即为常数，则热电势就成为另一端温度t的单值函数了。若t就是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低。这就是

21、利用热电现象来测量温度的原理。热电偶温度计由三部分组成：热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。如图2-3所示。热电偶是系统中的测温元件，测量仪表3是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计，导线2用来连接热电偶与测量仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。132图2-3 热电偶温度计测温系统示意图1热电偶；2导线；3测温仪表24常用的热电偶有哪几种?所配用的补偿导线是什么?为什么要使用补偿导线?并说明使用补偿导线时要注意哪几点?答：工业上常用的热电偶有如下几种：铂铑铂铑热电偶(也称双铂铑热电偶)；铂铑铂热电偶；镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶；镍

22、铬康铜(镍铬铜镍)热电偶。在实践中，人们找到了适合与各种型号的热电偶配用的补偿导线。详见下表热电偶名称补偿导线正极负极材料颜色材料颜色铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍铜镍铜镍铜镍绿蓝棕白由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿

23、导线”。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100。25用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种?答： 采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是o。而工业上常用的各种热电偶的温度热电势关系曲线是在冷端温度保持为o的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于o，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，又

24、有将冷端温度保持为o，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为o的方法，(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。26试述热电阻测温原理?常用热电阻的种类? 各为多少?答： 热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，其电阻值与温度关系如下：可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化，只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。工业上常用的热电阻有以下几种：铂电阻（WZP为新型号，WZB为旧型号）；铜电阻（WZC为新型号WZG

25、为旧型号）。目前工业上使用的铂电阻有两种：一种是=10（是指温度为时的电阻值）；另外一种是=100。工业上使用的铜电阻也有两种：一种是=50；另一种是=100。27热电偶的结构与热电阻的结构有什么异同之处？答： 热电偶的结构模型有普通型、铠装型、表面型和快速型四种。热电阻的结构型式有普通型、铠装型和薄膜型三种。普通型热电偶由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成；普通型热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等主要部分组成，其中，保护套管和接线盒与热电偶的基本相同，中心元件电阻体与热电偶的热电极不同。铠装型热电偶的结构与铠装型热电阻的结构完全不同。28 什么叫绝对误差、相对误差各引用误差？答：

26、（1）绝对误差 对同一参数进行测量时，仪表指示值x与标准表的指示值之差称为绝对误差，即标准表的指示值称作为标准值或真实值。绝对误差的单位与指示值的单位相同，有正、负之分。符号为“+”时，表示指示值高于标准值；符号为“”时，表示指示值低于标准值。（2）相对误差 绝对误差的大小并不能完全精确地判断测量的准确程度。原因是，同样的绝对误差，相对于很大的被测量来说是小的，甚至可以忽略不计，但相对较小的被测量来说，则是很大的，应引起足够多的重视，这样就引出了相对误差。仪表某点指示值的相对误差就是该点的绝对误差与该点的标准值之比的百分数，可表示为：相对误差没有单位。（3）引用误差 即折合误差，又称相对百分误差。它是校验过程中仪表的最大绝对误差相对仪表标尺范围（量程范围）的百分数。如用表示相对百分误差，则式中 最大绝对误差；仪表的测量上限；仪表的测量下限。29 检定一块1.5级刻度为0100Pa的压力表,发现在50 Pa处的误差最大,为1.4 Pa,其它刻度处的误差均小于1.4 Pa,问这块压力表是否合格?解： 该表的最大引用误差为所以,这块压力表合格.