化工仪表级自动化课后答案集第5版最全自己总结.docx
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化工仪表级自动化课后答案集第5版最全自己总结
化工仪表级自动化课后答案集第5版（最全）（自己总结）
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1.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：
加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
减轻劳动强度，改善劳动条件。
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。
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。
2、化工自动化主要包括哪些内容？
一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
4、自动控制系统主要哪些环节组成？
自动控制系统主要测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；
TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
7.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，于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。
8.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；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。
9.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。
11、图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？
反应器温度控制系统
该温度控制系统的方块图
反应器温度控制系统方块图
其中，被控对象：
反应器；被控变量：
反应器内的温度；操纵变量：
冷却水流量。
可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。
12.什么是负反馈？
负反馈在自动控制系统中有什么重要意义？
答：
系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。
负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量，y受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能使反馈信号升高，经过比较到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降回到给定值，这样就达到了控制的目的。
13.结合11题，说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。
当被控变量反应温度上升后，反馈信号升高，经过比较使控制器的偏差信号e降低。
此时，控制器将发出信号而使控制阀的开度变大，加大冷却水流量，从而使被控变量下降到。
所以该温度控制系统是一个具有反馈的闭环系统。
14.图1-18所示的温度控制系统中，如果于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控制变量影响的？
当反应器的温度超过给定值时，温度控制器将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来。
这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响。
15.定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
16.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。
17.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。
19.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
21、某化学反应器工艺规定操作温度为（90010）℃。
考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。
现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。
试求
2
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间=9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？
题1-19图温度控制系统过渡过程曲线
解最大偏差A=950900=50；超调量B=950908=42；于B=918908=10，所以，衰减比n=B:
B=42:
10=；余差C=908900=8℃；
振荡周期T=459=36（min）；过渡时间ts=47min。
因为A=50℃%，所以该压力表不符合级精度。
7.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
8.通常，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。
9.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。
10.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。
11.测压原理：
将被测压力转换成弹簧管自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，于弹簧管在压力作用下产生变形，使其自端产生位移，经
7
放大后就可以指针在面板上指示出相应的压力值。
13.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。
14.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。
15.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，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、测量精度可达级、可以测量压力和差压。
20、某压力表的测量范围为0～1MPa，精度等级为级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？
若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为时，标准压力计上读数为，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？
解：
压力表允许的最大绝对误差为
max=%=
在校验点处，绝对误差为
==（MPa）
该校验点的测量误差为
100%%
故该校验点不符合级精度。
21、为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？
选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？
解：
为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。
于仪表的基本误差m其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。
22、如果某反应器最大压力为，允许最大绝对误差为。
现用一台测量范围为0~，精度为级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？
若采用一台测量范围为0~，精度为级的压力表，问能符合误差要求吗？
试说明其理。
解用0~、精度为级的压力表来进行测量的基本误差
1max=%=>（允许值）
该表不符合工艺上的误差要求。
用0~、精度为级的压力表来进行测量的基本误差
2max=%=>（允许值）
该表符合工艺上的误差要求。
8
23、某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为~，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的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。
解空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限pmin=，工作压力上限pmax=。
设所选压力表量程为p，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有
pmaxpmin3p41p3p44pmax（MPa）33p3pmin3（MPa）
根据压力表量程系列，可选YX-150型、测量范围为0~的电接点压力表。
根据测量误差要求，测量的最大误差为
max5%=（MPa）
则所选压力表的最大引用误差应满足
max100%%
0要求，故可选精度等级为级的压力表。
24、某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过，试选用一台就地指示的压力表（给出型号、测量范围、精度等级）。
解合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则
p514（MPa）3根据压力表量程系列，可选YX-150型、测量范围为0~25MPa的电接点压力表。
根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足
max100%%25要求，故可选精度等级为级的压力表。
29.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，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。
30.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。
",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，当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。
33.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。
37、用转子流量计来测气压为、温度为40℃的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量。
解题知：
p0=，p1=+=（MPa）；T0=293K，T1=273+40=313；0=/Nm3；1=/Nm3，Q0=50L/s。
则
Q10p1293Q050105（L/s）
1p031338、用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min，转子用密度为7920kg／m3的不锈钢制成，若用来
测量密度为／L苯的流量，问测量范围为多少？
若这时转子材料改为密度为2750kg／m3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？
解题知t=7920kg／m3，f=／L=831kg／m3，W=1000／m3，Q0=10L/min测苯的流量的修正系数为
9
KQtwftfw（7920XX00）831
（7920831）1000Qr=Q0/KQ=10/（L/min）
所以，苯的流量测量范围为0～/min。
当转子材料改为铝时，r=2750kg／m3，此时测水的流量的修正系数为
KrQtwrw（7920XX00）2
27501000Qr0=Q0/KrQ=10/2=5（L/min）
所以，此时测水的流量的测量范围为0～5L/min
测苯的流量的修正系数为
KfQrwfrfw（27501000）831
（2750831）1000Qrf=Qr0/KfQ=5/=
所以，此时测苯的流量的测量范围为0～/min。
39.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。
41.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。
42.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。
46.
直读式物位仪表：
利用连通器的原理工作。
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。
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的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。
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。
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。
声波式物位仪表：
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。
光学式物位仪表：
利用物位对光波的遮断和反射原理工作。
47.差压式液位计是利用容器内的液位改变时，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。
48.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。
10
50、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
答当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差p≠0的现象，称为液位测量时的零点迁移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“无迁移”的情况。
当H＝o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—Ⅲ型差压变送器，其输出范围为4～20mA的电流信号。
“无迁移”时。
H＝0，＝0，变送器输出＝4mA；。
“有迁移”时，H＝0，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H＝0时，。
可调节仪表上的迁移弹簧，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。
51.在液位测量中，当被测液位H=0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H=0时，差压变送器的输入信号Δp＜0，则为“负迁移”。
52、测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，经常在负压管上装有冷凝罐（见题3-48图），问
这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？
如要迁移，迁移量应如何考虑？
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解：
差压液位计正压室压力
p1=gh1+gH+p0
负压室压力
p2=gh2+p0
正、负压室的压差
p=p1p2=gH（h2h1）g
H=0时，p=（h2h1）g。
这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使H=0时，p=0，该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为（h2h1）g
59、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？
解：
常用的热电偶有如下几种：
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所配用的补偿导线如下：
用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影响并与测量电路相连接。
使用补偿导线时要注意：
在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延伸电极与热电偶两个接点温度相等。
60、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？
解：
热电偶的热电势只有当T0恒定是才是被测温度T的单值函数。
热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。
若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。
冷端温度补偿的方法有：
延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。
63、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在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？
正确值为多少度？
解认为换热器内的温度为430℃不对。
设换热器内的温度为t，实测热电势为E（t，30），根据显示仪表指示值为400℃，则有E（t，30）=E（400，0），中间温度定律并查镍铬-铜镍热电偶分度表，有
E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=E（400，0）+E（30，0）=28943+1801=30744V反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=℃
64、测温系统如图3-17所示。
请说出这是工业上用的哪种温度计？
已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度tx为多少度？
（室温为25℃）
图3-17测温系统图
解这是工业上用的热电偶温度计。
查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是K热电偶产生的，即
E（tx,25）10501V
V，此可见，查分度号K，可得E（20,0）1000E（tx,0）E（tx,25）E（25,0）10501100011501V
这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。
65.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。
67、用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？
解查Cul00的分度表，140℃对应电阻为，而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值。
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反查Ptl00的分度表，得实际温度为157℃
69、说明热电偶温度变送器、热电阻温度变送器的组成及主要异同点。
热电偶温度变送器的结构大体上可分为三大部分：
输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器的结构大体上也可分为三大部分：
输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电路和反馈电路不同。
67、用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？
解查Cul00的分度表，140℃对应电阻为，而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值，反查Ptl00的分度表，得实际温度为157℃
69、说明热电偶温度变送器、热电阻温度变送器的组成及主要异同点。
热电偶温度变送器的结构大体上可分为三大部分：
输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器的结构大体上也可分为三大部分：
输入桥路、放大电路及反馈电路。
热电阻温度变送器和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电路和反馈电路不同。
P151
1、气动执行器主要哪两部分组成？
各起什么作用？
气动执行器执行机构和控制机构两部分组成。
执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
2、控制阀的结构形式主要有哪些？
各使用在什么场合？
直通单座控制阀应用于小口径、低压差的场合。
直通双座控制阀
角型控制阀 适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。
三通控制阀 配比控制或旁路控制
隔膜控制阀 适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
蝶阀 大口径、大流量、低压差，含少量纤维或悬浮颗粒状介质球阀 适用于高黏度和污秽介质的控制
凸轮挠曲阀 用于高黏度灬带有悬浮物的介质流量控制
笼式阀 压差大，要求噪声小的场合。
对高温、高黏度及含固体颗粒的介质不适用
3.比例控制是按偏差大小进行控制的，控制器的输出信号p与其输入信号e成正比。
当比例控制系统的控制过程结束之后，其被控变量新的稳定值与给定值之间仍存在一定的偏差，即比例控制的余差。
余差的产生是比例控制本身的特性所决定的。
因为比例控制作用是与偏差成比例的，只有偏差存在，才能产生控制作用。
当系统受到一定的扰动后，为了克服扰动，必定要有一定的控制作用，才能使系统达到新的平衡，所以必定存在与该控制作用相对应的偏差，即余差。
书P141
4、试分别说明什
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