自动化仪表要点、习题

1.自动化仪表经历了从气动液动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数字智能仪表，到计算机集散控制系统(DCS)。2.20世纪60年代中期生产的以电子管和磁放大器为主要放大元件的DDZ—Ⅰ型仪表；20世纪70年代初开始生产的以晶体管作为主要放大元件的DDZ—Ⅱ型仪表；以及20世纪80年代初开始生产的以线性集成电路为主要放大元件、具有安全火花防爆性能的DDZ—Ⅲ型仪表。3.在DDZ—I和DDZ—Ⅱ型仪表中采用0mA～10mA直流电流作为标准信号，而在DDZ—Ⅲ型仪表中，采用目前国际上统一的4mA～20mA直流电流作为标准信号4.使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。由于“活零点”的表示法具有上述优点，受到普遍的欢迎和广泛的应用。6.检测和仪表中常用的基本性能指标，包括测量范围及量程、基本温差、精度等级、灵敏度、分辨率、迁移、可靠性以及抗干扰性能指标等。7.习题1-2DDZ—Ⅱ型与DDZ—Ⅲ型仪表的电压、电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处?1-4什么是仪表的精度?试问一台量程为-100～+100℃、精度为0.5级的测量仪表，在量程范围内的最大误差为多少?1-5自动化仪表在控制系统中起什么作用?1-9什么是仪表的灵敏度和分辨率?两者间存在什么关系?8.过程控制对检测仪表有以下几个基本要求：(1)测量值要能正确地反映被测变量的大小，误差不超过规定的范围；(2)测量值必须迅速反映被测变量的变化，即动态响应比较迅速；(3)检测仪表在工作环境条件下，应能长期工作，以保证测量值的可靠性。9.目前国际上用得较多的温标是经验温标和热力学温标。10.测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。11.膨胀式温度计的测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分为液体膨胀式和固体膨胀式两种。12.热电偶温度计具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。13.热电偶的测温原理是基于热电效应14.热电动势是由两种导体的接触电势(珀尔贴电势)和单一导体的温差电势(汤姆逊电势)所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。15均质导体定律表明：热电偶必须采用两种不同材质的导体构成，且热电偶两接点温度不同；由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如果产生热电势，则说明该材料不均匀，这也是检查热电极材料均匀性的一种方法。如果热电偶是由两种均质导体组成，则热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非均质导体，在不均匀的温度场中测温时将成测量误差，所以热电极材质的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。16.2)中间导体定律如果在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连接的两接点温度相同时，则接入第三种导体后，对热电偶回路中的总电势没有影响。将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中引入各种仪表和连接导线。18.热电偶冷端温度补偿的方法一般可采用以下几种方法：1)恒温法2)参比端温度修正法3)电桥补偿法4)补偿导线法19.1)恒温法保持冷端恒温的方法很多，常见的有以下两种：(1)冰点槽法。将热电偶冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的冰点槽中。这种方法是一种理想的方法，只适用于实验室和精密测量中，工业中使用极为不便。(2)恒温箱法。将热电偶的冷端补偿导线引至电加热的恒温箱中，维持冷端为某一恒定的温度，通常恒温箱可供许多支热电偶同时使用，工业中常常采用这种方法。20.所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线,用它将热电偶的冷端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。补偿导线与热电偶连接，使热电偶的冷端远离现场，从而使冷端端温度稳定。21.为了适应不同的测温要求和使用条件，热电偶具有多种结构形式，如普通型、铠装型、薄膜型、表面型热电偶和浸入型热电偶等。其中最常见的是普通型和铠装型热电偶。22.热电偶可以测量单点温度、两点之间的温差、平均温度和几点温度之和。23.利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为热电阻温度计。24.热电阻温度计最大的特点是测量精度高，在测量500℃以下高温时，其输出信号壁热电偶大得多，性能稳定，灵敏度高，可在－272.3～1100℃范围内测温。热电阻温度计输出为电信号，便于远传、多点测量和自动控制，不需要冷端温度补偿。缺点是需要电源激励，有自热现象、引线误差等影响测量精度。25.铂电阻的分度号为Pt100和Pt10两种，是指在0℃时铂电阻的阻值R0为100Ω和10Ω。26.铜电阻的分度号为Cu100和Cu50两种，是指在0℃时铜电阻的阻值R0为100Ω和50Ω。27.工业用热电阻主要由电阻体、绝缘体、保护套管和接线盒等组成，通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置相连接的部件。工业热电阻具有普通型、铠装型和专用型等形式。28.热电阻温度计一般由热电阻、引线、连接导线、测量桥路和显示仪表组成，热电阻作为测量桥路的一个桥臂电阻。引线是热电阻出厂时自身具备的，使热电阻丝能与外部测量桥路连接，通常位于保护套管内。引线的电阻在环境温度变化的情况下会发生变化，对测量结果影响较大。目前常用的引线方式由两线制、三线制和四线制3种。30.辐射测温的常用方法有亮度法、全辐射法、比色法和多色法等。辐射测温仪表有全辐射高温计、光学高温计、光电高温计、比色高温计红外探测器、红外测温仪、红外热像仪等。32.光探测器的工作原理是基于光电效应，即入射光辐射与探测器相互作用是激发电子，光探测器的响应时间比热探测器短得多。常用的光探测器有光敏电阻型和光生伏特型。光敏电阻型探测器常用的有光敏二极管(又称光电二极管)、光敏三极管(又称光电晶体管，光电半导体管)等，光生伏特型光探测器常用的有光电池。33.DDZ－Ⅲ型温度变送器是工业过程中使用比较广泛的一类模拟式温度变送器，它与各类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或温差信号转换为4mA～20mA或DC1V～5V的同一标准信号输出。DDZ－Ⅲ型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器3种类型。3种变送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成，其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种和测量范围的不同而不同。36.在工程上将垂直而均匀作用在单位面积上的力称为压力，两个测量压力之间的差值称为压力差或压差，工程上习惯叫差压。37.在工程上，被测压力通常有绝对压力、表压和负压(真空度)之分。38目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：1)液柱式压力检测2)弹性式压力检测3)电气式压力检测4)活塞式压力检测。39.弹性式压力仪表是利用弹性元件在外力的作用下产生形变来测量压力的，40.工业上常用的弹性式压力表所使用的弹性元件主要有膜片、波纹管、弹簧管等。41.电气式压力仪表是利用某些机械或电气元件将压力转换成电信号，如频率、电压、电流等信号来进行测量的仪表，如霍尔式压力变送器、应变片式压力计、电阻式压力表等。42应变片式压力计由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。43.目前工程上使用最广泛的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片。45.1)压电效应压电式压力计的工作原理是基于某些物质的压电效应。某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种由外电场作用导致物质(物体)产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)，常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。46.前置放大器的作用是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，并放大传感器输出的微弱信号。前置放大器电路有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路受电缆长度变化的影响不大(几乎可以忽略不计)，故而电荷放大器的应用日益广泛。47.霍尔式压力计是利用霍尔元件基于霍尔效应原理实现压力－位移－霍尔电势。48.压力和差压变送器作为过程控制系统的检测变换部分，将液体、气体或蒸汽的差压(压力)、流量、液位等工艺参数转换成统一的标准信号(如DC4mA～20mA电流)，作为显示仪表、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续检测和自动控制。49.2)DDZ－Ⅲ型差压(压力)变送器DDZ－Ⅲ型差压(压力)变送器是采用二线制的安全火花型仪表，与输入安全栅配合使用，可构成安全火花防爆系统，适用于各种易燃易爆场所。DDZ－Ⅲ型差压(压力)变送器基于力矩平衡工作原理，主要由检测元件、杠杆系统、位移检测放大器和电磁反馈装置组成，其原理框图如图2.40所示。图2.41为DDZ－Ⅲ型差压(压力)变送器的工作原理示意图，被测压力通过高压室和低压室的比较转换成差压Δp=p2−p1，该差压作用于膜片或膜盒上，产生输入力Fi作用在主杠杆的下端，使主杠杆以密封膜片O1为支点顺时针旋转，形成力1F推动矢量机构沿水平方向移动。矢量机构将力1F分解成垂直方向的分力2F和斜向分力3F，2F作用于负杠杆使其以M为支点逆时针旋转，从而使固定在负杠杆上的位移检测片靠近差动变压器，使变压器气隙减小，输出电压增加，放大器的DC4mA～20mA输出电流oI也增加。输出电流oI通过电磁反馈线圈在永久磁钢的作用下产生反馈力fF作用在副杠杆上，使副杠杆按顺时针旋转。当反馈力fF与作用力2F在副杠杆上形成力矩达到动态平衡时，杠杆系统保持稳定状态，放大器输出电流oI也稳定在某一数值上，oI反映了被测差压pΔ的大小。51.2.2.6压力表的选用与安装为了使压力表在生产过程中能起到应有的作用，首先要正确选用和安装压力表。1.压力表的选用压力表的选用应根据工艺要求，合理地选择压力表的种类、型号、量程和精度等级等。(1)确定仪表量程。根据被测压力的大小来确定仪表的量程。在选择仪表的上限时应留有充分的余地。一般在被测压力稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表上限值的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表上限值的1/2；测量高压时，最大工作压力不应超过仪表上限值的1/3。为了测量的准确性，所测得的压力值不能太接近仪表的下限值，即仪表的量程不能选得过大，一般被测压力的最小值应不低于仪表量程的1/3。(2)选用仪表的精度根据生产上所允许的最大测量误差来确定压力表的精度。选择时，应在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低、经济实用的压力表。(3)仪表类型的选择选择仪表时应考虑被测介质的性质，如温度的高低、黏度的大小、易燃易爆和是否有腐蚀性等；还要考虑现场环境条件，如高温、潮湿、振动和电磁干扰等；还必须满足工艺生产提出的要求，如是否需要远传、自动报警或记录等。52.2.压力表的安装压力表正确安装与否，直接影响到测量结果的准确性和压力表的使用寿命，因此(1)压力表应安装在易观察、检修的地方。(2)安装地点力求避免振动和高温影响。(3)测量蒸汽压力时应加凝液管，以防止高压蒸汽直接和测压元件接触。测量有腐蚀性介质压力时，应加装有中性介质的隔离管。(4)压力表的连接处应加密封垫片。为安全起见，测量高压的压力表除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过的地方，以防止发生意外。53.流体的流量是指流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量(m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。54.测量流量总量的仪表称为流体计量表或总量计。55.流体在管道中的流动形式可分为层流和紊流两种。层流(laminarflow)是指流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。紊流(tur