自动检测技术及仪表控制系统第二版复习重点及思考题答案

原理：元件受力形变，应变对元件电阻率大幅度变化，从而导致电阻的改变，将元件通电流，测元件两段电压，通过电压的改变即可推断力的大小。 优点：反应灵敏，体积小，广泛用在压力传感上。 缺点：温度依赖性大，需要电路补偿，价格高。 3压敏导电橡胶

原理：元件受力变形电阻变化，通电，测电压，即反推得到力的大小。

9成分分析仪表

成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表。 一、 成分分析方法及分类(p117)

成分分析的方法有两种类型：一种是定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法；另一种是利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪表。

目前，按测量原理分类，成分分析仪表有以下几种型式：

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、γ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) 其他：如半导体气敏传感器。

二、 自动分析系统（检测器是分析仪表的核心）

1、自动分析系统通常是与试样预处理系统组成一个分析测量系统，以保证其良好偶的环境适应性和高的可靠性以使分析仪表的示值能代表被监测的成分。

2、自动取样装置的作用是从生产设备中自动、快速的提取待分析样品。预处理系统可以采用冷却、加热、气化、减压、过滤等方式。取样和试样的制备必须注意避免液体试样的分馏作用或气体试样中某些组分被吸附的情况。 三、 几种工业用成分分析仪表

1、 热导式气体分析器：利用不同气体导热特性不同的原理进行分析。优点有机构简单、

工作稳定、体积小。（热导式气体分析器的核心是测量室）

（1）经实验测定，气体中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的导热能力较弱。气体的导热率还与气体的温度有关。

（2）热导式气体分析器的核心是测量室，称为热导池。热导池是用导热良好的金属制成的长圆柱形小室，室内装有一根丝的铂或钨电阻丝，电阻丝与腔体有良好的绝缘。

热导池有不同的结构型式，目前常用的是对流扩散式结构型式。热导式分析仪表通常采用桥式测量电路。

四、 氧化锆氧分析器

（1）氧化锆氧分析器是属于电化学分析方法，这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、相应快、测量范围宽（从10ˉ6到百分含量），而且不需复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。

（2）氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池（原电池）。氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。浓差电池的左侧为被测气体，右侧为参比

17

气体，参比气体一般为空气。

（3） 氧化锆分析器正常工作的必要条件：

a、工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节，一般工作温度保持在T=850oC，此时灵敏度最高，工作温度变化直接影响氧浓车电势E的大小，传感器还应有温度补偿环节。

b、必须要有参比气体，参比气体的氧含量稳定不变。二者氧含量差越大，仪表灵敏度越高。

C、参比气体与被测气体压力应该相等。

（3）氧化锆分析器的安装方式有直插式和抽吸式。 五、 半导体气敏传感器

半导体气敏传感器是采用半导体材料为敏感材料制成的一种气敏传感器类型。这类传感器可以通过在半导体材料中添加各种催化剂来改变其主要敏感对象，但却很难消除对其他共存气体的影响,并且它信号线性影响的范围窄，一般只用于定性及半定量范围的气体检测。

半导体气敏传感器按照半导体的物性变化特点，可分为电阻型和非电阻型两类。 气敏传感器一般由气敏元件、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。溶液的酸碱性可以用氢离子浓度[]的大小来表示。一般用pH值来表示溶液的酸碱度，定义为：

pH??lg[H?]

与之相应有：pH=7为中性溶液，pH>7为碱性溶液，pH<7为酸性溶液。

（1）pH值得检测采用电位测量法。测量pH值一般使用参比电极和测量电极以及被测溶液共同组成的pH测量电池。参比电极的电位是一个固定的常数。电池的电势为参比电极和测量电极间电极电位的差值。根据能斯特公式有：

式中，E为电极电势，V；R为气体常数，R=8.314J/(mol·K)；T为热力学温度，K；F为法拉第常数，

；pHx为被测溶液的pH值。

（2）工业用参比电极一般为甘汞电极或银–氯化银（Ag/AgCl）电极。(p129) （3）玻璃电极是使用最为广泛的测量电极。 七、 湿度的检测

1、 湿度是表示空气中水汽含量的物理量。

（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的水汽质量数，单位为；相对湿度是单位体积湿气体中所含的水汽质量与相同条件下饱和水汽质量之比，用百分数表示。

（2）湿度的检测方法有露点法、毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。对湿度传感器的要求：工作可靠，使用寿命长，有较快的响应速度，受温度影响小，互换性好，制造简单，价格便宜。

八、 干湿球湿度计

干湿球湿度计的使用十分广泛，常用于测量空气的相对湿度。它由两支温度计组成，一支温度计用来直接测量空气的温度，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的棉纱吸水套，并经常保持湿润，称为湿球温度计。

18

式中，为相对湿度；为干球温度下得饱和水汽压；为湿球温度下的饱和水汽压；为湿空气的总压；为干球湿度；为湿球湿度；为仪表常数，它与风速和温度传感器的结构因素有关。 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。多孔陶瓷表面积大，易于吸湿和去湿，可以缩短响应时间。陶瓷传感器的感湿机理一般是利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿，使电极间的电阻值随相对湿度而变化。这类传感器的制作型式可以为烧结式、膜式及MOS型等。这类元件的特点是体积小，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，长期稳定性好。

课后习题

9-1、在线成分分析系统为什么要有采样和试样预处理装置？采样和试样预处理装置可以保证在成分分析系统良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的视值能代表被监测的部分。采样装置的作用是从生产设备中自动、快速的提取待分析样品；预处理装置可采用多种方式对采集的样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样。

9-2、简述热导式体分析器的工作原理，对测量条件有什么要求？

工作原理：由于气体组份含量的不同，混合气体导热能力将发生变化，利用混合气体导热能力的差异进行含量分析。

要求：实际测量中，要求混合气体中背景组分的导热率必须近似相等，并与被测组分的导热率有明显的差别，对于不能满足这一要求的气体可采用预处理的方法。

9-3 机理为：红外线气体分析器属于光学分析一表中的一种。它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的。一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置组成。

9-4

氧化锆分析器的基本工作原理基于氧浓差电池。浓差电池内在氧化锆陶瓷体的两侧烧结一层多孔铂电极，当两侧气体的含氧量不同时，在两极间将产生浓差电势。条件要求为：工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节；必须要有参比气体，参比气体的氧含量稳定不变；参比气体与被测气体压力应该相等。

9-5

基本环节有分析环节和分离环节。 9-6、半导体气敏传感器有哪几种类型？

半导体气敏传感器的类型按照半导体的物位变化特点，可分为电阻型和非电阻性两类。按照半导体与气体的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与溶液产生电极电势，电池的电势为参比电极与测量电极间电极电位的差值，其大小就代表溶液中氢离子浓度，即溶液酸度。

9-8、简述湿度测量的特点，常用的湿度测量方法有哪些？

湿度测量的方法很多，传统的方法是露点法，毛发膨胀法和干湿球湿度测量法。工业过程的检测和控制对湿敏传感器有一下要求：（1）工作可靠，使用寿命长；（2）在气体环境中特性稳定，不受尘埃、油污附着的影响；（3）满足要求的湿度测量范围有较快的相应速度；

19

（4）能在-30°~100°c的环境温度下使用，受温度影响较小；（5）互换性好，制造简单，

价格廉价。

10仪表系统分析

表10-1DDZ-II型和DDZ-III型仪表的比较 (p137) 仪表系统数学模型的类型有： 时域模型，频域模型，离散模型。

思考题与习题

1常用仪表是如何进行分类的？各有什么特点？

①按使用性质分为标准表（用于校验非标准仪表使用，经过了计量部门的定期检定并具有合格证书）、实验室用表（用于科学实验研究）、工业用表（长期安装使用在工业生产中）②按测量方式分为直读仪表（可以直接读取被测量值）和比较仪表（采用某种方式通过未知量雨已知量相比较而得出被测量值）③按原理性连接方式分为串联（各功能模块首尾相接前后串联）、反馈（某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈作用）④按信号传输方式分为电动仪表（以电量为传输信号，信号可远传，但无特殊处理措施，会引起活在和爆炸）、气动仪表（使用压缩空气来传输信号，反应动作慢，投资大）⑤按组成方式分为基地仪表（通用性差）、单元组合式仪表（只完成单一功能，但是比较灵活）、组件组装式仪表（可根据需要选择多个插件，常用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）、盘后架装仪表（无显示功能，无操作需要）、盘装仪表（同时具有显示功能和操作功能）以上三种是常用工业用表、台式仪表（实验环境）、携带式仪表（野外工作环境）⑦按防爆能力分为普通型仪表（用于非危险场所）、隔爆型仪表（可防燃烧、爆炸、防腐、防震等）⑧按运算处理方式分为模拟式仪表（信号为模拟信号）、数字式仪表（信号为数字信号） 2．仪表各功能模块的链接方式有哪两种？其主要的区别是什么？

有串联和反馈，区别在于串联是各功能模块首尾相接前后串联，反馈是某个功能模块的输出重新输入到自身的输入端或其前的某个功能模块的输入端，从而构成正反馈或负反馈作用 10-3、 DDZ-II型和DDZ-III型电动单元组合仪表的主要外特性是什么？（表10-1）p137[重点题]

（1）DDZ-II型电动单元组合仪表的主要外特性：DDZ-II型系列仪表采用了印制电路等工艺，是以晶体管元件为主体的各单元之间的联络信号约定为0~10mA，电源采用交流220v，各单元的精度为0.5级。由于采用了电流作为仪表间的联络信号，因而信号在传达过程中能保持恒值而不易受到传输电线电阻的变化的影响，且适合于远距离传送。此时变送和计算单元能承受的负载电阻一般为0~1.5千欧，给定和调节单元能承受的负载电阻一般为0~3千欧。电流信号的引入还有利于与磁场作用产生机械力，以便于利用力平衡原理实现各种功能。同时，电流信号有利于多个单元的串接，并能保证各接收信号的一致性。此外电流信号从口开始，便于模拟量的运算。（2）DDZ-III型系列仪表是以线性集成电路为主要元器件。各单元之间的联络信号采用国际统一信号制的4~20mA直流电流进行远传，并保留了室内1~5v电流电压的联络信号，电源采用直流24v单电源供电。DDZ-III型仪表采用国际统一信号制的4~20mA直流电流进行远传，主要是为了克服其电流制式的缺陷，即无法判断线以及不易避开元件的死区和非线性区。由于III型仪表的输入阻抗较大，因而用过250欧的电阻即可方便的将信号传递。此外，直流24v供电模式的采用，使单电源集中供电得以实现。同时，正因为采用了直流24v低压供电，并附以安全栅等措施，才使III型仪表具备了安全的防爆能

20