化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版.docx
《化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版
化工仪表及自动化_第五版_课后习题答案完整版
习题答案
《化工仪表及自动化》第五版厉玉鸣主编化学工业出版社
Ex1.化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产
过程自动化的简称。
在化工设备上,配备上一些自动化装
置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自
动地进行,这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法,
称为化工自动化。
实现化工生产过程自动化的意义:
（1）加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量。
（2）减轻劳动强度,改善劳动条件。
（3）能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,达到延长设
备使用寿命,提高设备利用能力的目的。
（4）能改变劳动方式,提高工人文化技术水平,为逐步地消
灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
习题（第一章）
Ex2.化工生产过程自动化,一般包括自动检测、自动保护、自
动操纵和自动控制等方面的内容。
习题（第一章）
Ex3.闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又
有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看,构成了一个
闭合回路。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺
向控制而没有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看,
未构成闭合回路。
Ex7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种
图形,由于各个环节在图中都用一个方块表示,故称之为方
块图。
Ex8.测量元件与变送器:
用来感受被控变量的变化并将它转换
成一种特定的信号（如气压信号、电压、电流信号等）;控
制器:
将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保
持的给定值信号进行比较得出偏差,根据偏差的大小及变化
趋势,按预先设计好的控制规律进行运算后,将运算结果用
特定的信号送住执行器。
执行器:
能自动地根据控制器送来
的信号值相应地改变流入（或流出）被控对象的物料量或能
量,从而克服扰动影响,实现控制要求。
习题（第一章）
Ex9.被控对象:
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的
生产设备或机器叫做~。
被控变量:
被控对象内要求保持给
定值的工艺参数。
给定值:
被控变量的预定值。
操纵变量:
受控制阀操纵的,用以克服干扰的影响,使被控变量保持给
定值的物料量或能量。
Ex15.定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
Ex16.在自动化领域中,把被控变量不随时间而变化的平衡状
态称为系统的静态,把被控变量随时间而变化的不平衡状态
称为系统的动态。
∵干扰是客观存在的,是不可避免的。
一个自动控制系统投入
运行时,时时刻刻都受到干扰作用,破坏正常的工艺生产状
态。
这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或抵
消干扰作用的影响,使被控变量保持在工艺所要求的技术指
标上。
一个正常工作的自动控制系统,总受到频繁的干扰作
用,总处在频繁的动态过程中。
∴了解系统动态更为重要。
习题（第一章）
Ex17.阶跃作用:
在某一瞬间t0,干扰突然地阶跃式地加到系
统上,并保持在这个幅度。
采用阶跃干扰的原因:
阶跃干扰比较突然,比较危险,对被控
变量的影响也最大。
如果一个控制系统能够有效克服阶跃干
扰,对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。
阶跃干扰形
式简单,容易实现,便于分析、实验和计算。
Ex19.等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程,生产上不
能采用;非周期衰减过程虽是稳定过程,但该过程中被控变
量达到新的稳定值的进程过于缓慢,致使被控变量长时间偏
离给定值,所以一般也不采用;衰减振荡过程能够较快地使
系统达到稳定状态,并且最终的稳态值必然在两峰值之间,
决不会出现太高或太低的现象,更不会远离给定值以致造成
事故。
所以…
习题（第二章）
Ex1.对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。
各种对象千差万别,有的操作很稳定,操作很容易;有的
稍不小心可能就会超越正常工艺条件,甚至造成事故。
有
经验的操作人员需要很熟悉这些对象,才能使生产操作得
心应手;设计自动化装置时,也必须深入了解对象的特
性,了解它的内在规律,才能根据工艺对控制质量的要
求,设计合理的控制系统,选择合适的被控变量和操纵变
量,选用合适的测量元件及控制器。
在控制系统投入运行
时,也要根据对象特性选择合适的控制器参数,使系统正
常地运行。
Ex2.对象的数学模型指对象特性的数学描述。
静态数学模型:
描述的是对象在静态时的输入量与输出量
之间的关系;动态数学模型:
描述的是对象在输入量改变
以后输出量的变化情况。
习题（第二章）
Ex4.机理建模法、实验建模法。
Ex5.对象或生产过程的内部机理。
Ex7.阶跃反应曲线法:
特点是简易但精度较差。
如果输入量是
流量,只要将阀门的开度作突然的改变,便可认为施加了
一个阶跃干扰,同时还可以利用原设备上的仪表把输出量
的变化记录下来,既不需要增加仪器设备,测试工作量也
不大。
但由于对象在阶跃信号作用下,从不稳定到稳定所
需时间一般较长,这期间干扰因素较多,因而测试精度受
到限制。
为提高测试精度就必须加大输入量的幅度,这往
往又是工艺上不允许的。
矩形脉冲法:
特点是提高了精度,对工艺影响较小。
采用
~时,由于加在对象上的干扰经过一段时间后即被除去,
因此干扰的幅值可以取得较大,提高了实验精度。
同时,
对象的输出量又不会长时间偏离给定值,故对工艺生产影
响较小。
习题（第二章）
Ex8.放大系数K、时间常数T、滞后时间τ;放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化
量与输入的变化量之比;时间常数T指当对象受到阶跃输入作用后,被控变量如果
保持在初始速度变化,达到新的稳态值所需的时间;滞后时间τ是纯滞后时间和容量滞后时间的总称,它反映
对象受到输入作用后,输出不能立即、迅速变化的现象。
。
习题（第二章）
Ex10.纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间
而引起的,而测量点选择不当,测量元件安装不合适等原
因也会造成纯滞后。
容量滞后一般是由于物料或能量的传
递需要通过一定阻力而引起的。
控制通道若存在纯滞后,
会使控制作用不及时,造成被控变量的最大偏差增加,控
制质量下降,稳定性降低;干扰通道若存在纯滞后,相当
于将干扰推迟一段时间才进入系统,并不影响控制系统的
控制品质。
容量滞后增加,会使对象的时间常数T增加。
在控制通
道,T增大,会使控制作用对被控变量的影响来得慢,系
统稳定性降低;T减小,会使控制作用对被控变量的影响
来得快,系统控制质量提高。
但T不能太大或太小,且各
环节时间常数要适当匹配,否则都会影响控制质量。
在干
扰通道,如果容量滞后增加,干扰作用对被控变量的影响
比较平稳,一般有利于控制。
习题（第二章）
Ex13.
3
1
10
01
1
05
20202
02
11Q/Qmh
dhQdt
hQdtdtth
ht
ΔΔ+Δ
Δ
∫∫
2
0设截面积0.5M,是原来平衡时液位,是输入量
改变后对应的液位,。
Ahh
习题（第二章）
Ex14.
/
2/
82
/150120/3.02.560
2min
600.51
600.51
14512025
256
b
t8min
00.51
tT
tT
xQyT
Kyx
yte
yte
yT
e
τ
τ
τ?
ΔΔ
?
××Δ∴
×
令输入量;输出量℃;
放大系数;
又由图知纯滞后时间。
无滞后时一阶对象输出表达式为:
;
有滞后时一阶对象输出表达式为:
。
当时,℃,代入上式,有:
/
2/3.35
3.352260
T3.35
mi
0
n
31
T
t
dytytxt
dt
yte
τ
τ
τ?
+
++
≈
∴
解出。
微分方程式为;
函数表达式为。
习题（第三章）
Ex1.测量过程在实质上是将被测参数与其相应的测量单位进行
比较的过程。
一般它都是利用专门的技术工具,将被测参
数经过一次或多次的信号能量形式的转换,最后获得一种
便于测量的信号能量形式,并由指针位移或数字形式显示
出来。
Ex2?
由仪表读得的被测值与被测量真值之间会存在一定的差距,
这一差距称为~。
表示方法有:
绝对误差和相对误差。
绝对误差:
Δx-x0相对误差:
0
00
yxx
xx
Δ
习题（第三章）
Ex3?
仪表的相对百分误差:
仪表允许的百分误差
100%100%
A
δΔ
××
Δ
测量范围上限值测量范围下限值
100%100%
A
δΔ
±×±允×
允
仪表允许的最大绝对误差值
测量范围上限值测量范围下限值
Ex4.仪表的精确度等级是将仪表允许的相对百分误差的“±”号
及“%”去掉后的数值,以一定的符号形式表示在仪表标尺板
上。
精确度等级目前是按国家统一规定的允许误差大小来划
分成若干等级的。
习题（第三章）
Ex5.某一标尺为0~1000oC的温度计出厂前经校验,其刻度标
尺上的各点测量结果分别为:
（1）求出该温度计的最大绝对误差值;
（2）确定该温度计的精度等级;
（3）如果工艺上允许的最大绝对误差为±8℃,问该温度计
是否符合要求?
被校表读数/℃02014026047068059031001
标准表读数/℃02004006007008009001000
解:
（3）工艺要求:
Δ±8°C
100%0.8%
10000
100%8×±±°
×
±Δ
C
满量程允δ
应选择精度等级0.5;所以此温度计不符合要求。
习题（第三章）
Ex7.压力指垂直均匀地作用于单位面积上的力。
关系:
p表压p绝对压力-p大气压力
p真空度p大气压力-p绝对压力
Ex8.通常,由于各种工艺设备和检测仪表本身就处于大气压力
之下,因此工程上常采用表压和真空度来表示压力的大小,
一般仪表所指的压力也是表压或真空度。
Ex9.测压仪表按其转换原理不同,主要分为四大类:
液柱式压
力计:
它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的;弹性
式压力计:
它是将被测压力转换成弹性元件的位移来进行测
量的;电气式压力计:
它是通过机械和电气元件将被测压力
转换成电量来进行测量的;活塞式压力计:
它是根据液压原
理,将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测
量的。
习题（第三章）
Ex10.主要的弹性元件有:
弹簧管:
可分为单圈弹簧管与多圈弹簧管,它们的测压范围
较宽,最高可测量高达1000MPa的压力;膜片:
可分为平薄膜、波纹膜、膜盒等,它的测压范围较弹
簧管式的为低,通常可与其他转换环节结合起来,组成相应
的变送器;波纹管:
这种弹性元件易变形,常用于微压与低压的测量。
Ex11.测压原理:
将被测压力转换成弹簧管自由端的位移来进
行测量的。
主要组成:
弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头。
测压过程:
当被测压力通入弹簧管后,由于弹簧管在压力
作用下产生变形,使其自由端产生位移,经放大后就可以
由指针在面板上指示出相应的压力值。
习题（第三章）
Ex12?
控制线路图:
p下限
p上限220V
~
绿灯
红灯
警笛
Ex13?
将霍尔元件与弹簧管配合,可组成霍尔片式弹簧管压力传
感器。
当被测压力引入后,弹簧管自由端产生位移,因而
改变了霍尔片在磁场中的位置,使所产生的霍尔电势与被
测压力成比例,利用这一电势就可实现压力的测量。
习题（第三章）
Ex14.应变片式压力传感器:
测压元件是电阻应变片。
利用金
属导体的电阻应变效应制成的。
压阻式压力传感器:
测压
元件是单晶硅片。
利用半导体的压阻效应制成的。
Ex15.工作原理:
将弹性元件的位移转换为电容量的变化。
将
测压膜片作为电容器的可动极板,它与固定极板组成可变
电容器。
当被测压力变化时,由于测压膜片的弹性变形产
生位移改变了两块极板之间的距离,造成电容量发生变化。
特点:
结构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测量精度可达
0.2级、可以测量压力和差压。
Ex20.
1100%1%
1%101%0.01
0.01
20.50.5080.008
A
AMPa
MPa
xxMPa
δ
Δ
±×±
?
Δ××ΔΔ
允
允
允
测标
）
（）（）
允许的最大绝对误差为。
）（）
∵-0.010.01∴在这一点符合1级精度。
习题（第三章）
Ex23.某台空压机的缓冲器,其工作压力范围为1.1~1.6MPa,
工艺要求就地观察罐内压力,并要求测量结果的误差不大于
罐内压力的5%,试选择一台合适的压力计（类型,测量范
围,精度等级）,并说明其理由。
解:
空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力;且只需要
就地观察,不需要远传变送,所以选择普通单圈弹簧管压
力计（类型）;
测量范围选择:
查表,压力计的测量范围可选0~2.5MPa,此时
233
322
p≤p,p≥p×1.62.4MPa测上限上限测即:
（
min
1
3
p1.1MPa≥×2.50.83MPa测
∴所选测量范围合适。
习题（第三章）
续:
精度等级确定:
△允1.1×5%0.055MPa,
0.055
2.5
100%100%2.2%
A
δ
Δ
±×±×±允
允
∵1.5<2.2<2.5,∴应选1.5级精度等级。
类型确定:
要求就地指示,选弹簧管压力表就可满足要求。
综上,可选测量范围为0~2.5MPa,1.5级精度的Y-150普通
弹簧管压力表。
Ex29.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~。
流体经节流装置时,由于流速发生变化,使流体的动能发
生变化。
根据能量守恒定律,动能的变化必然引起静压能
的变化,所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。
习题（第三章）
Ex30.流体流经节流装置时所产生的压差与流量之间有一定的
对应关系,通过测量压差的大小,即可得知流量的大小。
由于流量基本方程式是在一定的条件下推导出的,这些条
件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺
条件（密度、温度、压力、雷诺数等）,当以上这些条件
改变时都会影响流量的测量。
Ex33.因为转子流量计在流量变化时,转子两端的压降是恒定
的;而差压式流量计在流量变化时,节流装置两端的压差
也是随之改变的。
Ex37.010
10
101
1.2930.6529350
1.
QQ
9770.10133313
99.1
pT
pT
ρ
ρ
×××
≈
×××
（L/s）
习题（第三章）
Ex39.椭圆齿轮流量计属于容积式流量计,它有两个相互啮合
的椭圆齿轮,当流体流过时,带动齿轮旋转。
齿轮每转1
周排出定量流体,只要测了椭圆齿轮的转速,便可知被测
流体的流量。
Ex41.电磁流量计的原理:
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。
Ex42.漩涡流量计的原理:
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
于流体流向的漩涡发生体时,若该物体几何尺寸适当,则
在阻挡体后面,沿两条平行直线上会产生整齐排列、转向
相反的漩涡列。
漩涡产生的频率和流体的流速成正比。
通
过测出漩涡产生的频率可知流体的流量。
习题（第三章）
Ex46.
（1）直读式物位仪表:
利用连通器的原理工作。
（2）差压式物位仪表:
利用液柱或物料堆积对某定点产生压
力的原理而工作。
（3）浮力式物位仪表:
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:
把物位的变化转换为一些电量的变
化,通过测出电量的变化测出物位。
（5）核辐射式物位仪表:
利用核辐射透过物体时,其强度随
物质层的厚度而变化的原理来工作。
目前γ射线应用最多。
（6）声波式物位仪表:
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,测出这些变化即可测出
物位。
（7）光学式物位仪表:
利用物位对光波的遮断和反射原理工
作。
习题（第三章）
Ex47.差压式液位计是利用容器内的液位改变时,由液柱产生
的静压也相应变化的原理而工作的。
当测量有压容器的液位时,即容器是受压的,则需将差压变
送器的负压室与容器的气相相连接,以平衡气相压力p变化
时对液位测量的影响。
Ex48.生产中欲连续测量液体的密度,根据已学的测量压力及
液位的原理,试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度
的方案。
解:
p0
H
p2
ρ
p1
溢出孔
1
2
12
pHgp
pp
pppHg
Hg
p
p
ρ
ρ
ρ
ρ+?
?
Δ
ΔΔ
大气
大气
∴当、不变时,
与成
的量
正。
测的测量
比
习题（第三章）
Ex48.思考:
33
min
33
32
min
32
21.010/,
1.510/
29.81.01019600
29.81.51029400
19600~29400
Hmkgm
kgm
mPa
mPa
PaPa
ρ
ρ
ρ
ρ
×
×
Δ×××
Δ×××min
若,被测液体密度
。
求差压变送器的差压变化
范围。
（g取9.8N/kg）
pHgN/
pHgN/
范围:
。
解:
Ex49.
习题（第三章）
Ex49.
1021210
22101
0
0
12021
0
1
phghhgp
phhhgp
ppph
ph
gKh
ρρ
ρ
ρρ
+++
+++
ΔΔ
利用差压式液位计可以测液体的分界面。
∴与分界面高度成正比。
）
2）注意:
测量界面时,两种液体应互不相溶,且有明显的密度差;差压变送器的正取压口应在最低分界面之下,负取压口应在
最高分界面之上,但不能高于容器内的液位高度（即不能气
相取压。
）
习题（第三章）
Ex50.使用差压变送器测量液位时,一般差压Δp与液位高度H
之间的关系为:
ΔpHρg。
这就是“无迁移”的情况。
当
H0时,作用在正、负压室的压力是相等的。
实际应用
中,由于安装有隔离罐、凝液罐、或由于差压变送器安装
位置的影响等,使得在液位测量中,当H0时,正、负压
室的压力并不相等,即Δp≠0,这就是液位测量时的零点
迁移问题。
可调节差压变送器上的迁移弹簧,以使当H0时,尽管差
压变送器的输入信号Δp≠0,但变送器的输出为标准最小
值（对DDZⅢ,即I04mA）。
零点迁移实质上是变送器零点的大范围调整,它改变了测
量范围的上、下限,相当于测量范围的平移,而不改变量
程的大小。
习题（第三章）
Ex51.在液位测量中,当被测液位H0时,如果差压变送器的
输入信号Δp>0,则为“正迁移”;反之如果被测液位H0
时,差压变送器的输入信号Δp<0,则为“负迁移”。
Ex54.在电容器和极板之间,充以不同介质时,电容量的大小
也有所不同。
因此可通过测量电容量的变化来检测液位、料
位和两种不同液体的分界面。
Ex58.热电偶的热电特性除与两接点处的温度有关外,还与热
电极的材料有关。
Ex59.常用热电偶及其补偿导线如下:
（参教材P79）
习题（第三章）
Ex59.补偿导线的作用:
工程上常用一种专用导线,把暴露在空
间的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,解决
冷端温度难以保持恒定的问题。
使用补偿导线时注意:
1）要注意型号匹配。
2）极性不能接
错,热电偶正、负极分别与补偿导线正、负极相接。
3）热电
偶与补偿导线连接端所处的温度在0~100℃内。
Ex60.作用:
采用补偿导线可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0℃,而工业上常用热电偶的Et-t关系曲线是
在冷端温度t00℃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。
而操作室的温度往往不是
0℃,这样测量结果就会有误差,因此需要进行冷端温度的
补偿。
（解决冷端温度不为零的问题）方法:
冷端温度保持为0℃的方法;冷端温度修正法;校正
仪表零点法;补偿电桥法;补偿热电偶法。
习题（第三章）
Ex62.用K热电偶测某设备的温度,测得的热电势为20mV,冷
端（室温）为25℃,求设备的温度?
如果改用E热电偶来测
温,在相同的条件下,E热电偶测得的热电势是多少?
KK
KKK
E
EE
EEE
252025,01
0,2525,020121
509
25,01.5
509,0509,037.7
25,025,037.71.536.2
EtmVKEmV
EtEtEmV
t
EmV
EtEmV
EtEtEmV
++
已测出,查表可知,
故,
再查K表,得℃。
改用E热电偶后,查E表得,
设备温度为℃,查表得,
∴。
解:
习题（第三章）
解:
不对。
因为此时冷端温度为30℃,而仪表指示值400℃
是在仪表的机械零位在0℃时的值,而Et-t关系又是非线性
的,所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。
400,028.943,30
30400,028.943
0,3030,028.9431.80130.744
422
EEmVEt
EtEmV
EtEtEmV
t
++
∵
查表可得,此热电势即为。
即:
。
查表可得:
℃。
Ex63.现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度,其冷端
温度为30℃,显示仪表的机械零位0℃时,这时指示值为
400℃,则认为换热器内的温度为430℃对不对?
为什
么?
正确值为多少?
习题（第三章）
Ex65.热电阻温度计的原理:
是利用金属导体的电阻值随温度
变化而变化的特性测温的。
只要测出感温热电阻的阻值变
化,便可得知被测温度大小。
常用热电阻的种类:
Pt10、
Pt100、Cu50、Cu100。
R0分别为:
10Ω、100Ω、50Ω、
100Ω。
Ex76.信号变换电路:
将生产过程中的工艺变量经过检测变送
后的信号,转换成相应的电压或电流值。
前置放大电路:
将
输入的微小信号放大至伏级电压信号。
非线性校正电路:
一
般是为了校正检测元件的非线性特性。
开方运算电路:
通常
是为了将差压信号转换成相应的流量值。
A/D转换电路:
将
模拟量转换成断续变化的数字量。
标度变换电路:
实质上就
是进行比例尺的变更,使数显仪表的显
升级会员 