化工仪表及自动化课后习题答案.docx

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化工仪表及自动化课后习题答案

第1章自动控制系统基本概念P16

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：

（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。

2、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。

3、闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统.开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。

4、自动控制系统主要由哪些环节组成？

自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。

5、p7

6、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，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。

8、测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去。

执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。

9、被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。

被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。

控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。

给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。

它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。

操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。

或实现控制作用的变量。

操纵介质（操纵剂）——用来实现控制作用的物料。

10、控制作用是对在受到外界干扰影响偏离正常状态后，回复到规定范围内。

干扰作用是引起被控变量偏离给定值，除操控变量以外的各种因素。

11、该温度控制系统的方块图

变化量之比，即

对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。

时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。

时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大

对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。

滞后现象用滞后时间τ表示。

对象的滞后时间τ，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。

10、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。

11、已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。

解该对象特性的一阶微分方程为

12、

题2-3图RC电路

解RC电路的微分方程为

当ei=5V时，微分方程的解为

eo=5（1-e-t/T）=5（1-e-t/10）（V）

（该系统的时间常数T=RC=5⨯103⨯2000⨯10-6=10s）

当t=T时，eo=5（1-e-T/T）=5（1-e-1）=3.16V；

当t=2T时，eo=5（1-e-2T/T）=5（1-e-2）=4.32V；

当t=3T时，eo=5（1-e-3T/T）=5（1-e-3）=4.75V。

题解2-3图RC电路的阶跃响应曲线

13.解这是一个积分对象，则

（m）

题解2-13图水槽液位∆h的变化曲线

14、解:

（输入）燃料变化量

由题图知,该系统属于一阶系统，输出量（温度）的变化量y（t）相对于输入（燃料）变化量x（t）的关系（方程）为

当x（t）=A=50/6（kg/min）=const.时，方程的解为

y（t）=KA（1-e-t/T）℃

由题图知，y（∞）=KA=150-120=30℃,则

K=30/A=30/（50/6）=3.6（℃/（kg/min））

首先不考虑延迟，y（t）的变化从t0=2min开始，到t1=8min时，实际变化时间t=6min，由题图知

y（t）=y（6）=30（1-e-6/T）=145-120=25（℃）

由此解出T=3.35（min）

所以

y（t）=30（1-e-t/3.35）℃

若考虑滞后时间τ=2min，则

微分方程为

系统的特性参数是系统的固有特性，不会随输入信号的变化而变化，因此，前面求解过程中所确定的K和T的值是不变的。

所以，当燃料变化量x（t）=A=1时，温度变化量的函数表达式为

yτ（t）=y（t-τ）=3.6（1-e-（t-2）/3.35）℃

第3章检测仪表与传感器P101

1.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。

2.p34

4.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。

5、

（1）校验数据处理：

标准表读数/℃

200

400

600

700

800

900

1000

被校表读数/℃

201

402

604

706

805

903

1001

绝对误差/℃

由以上数据处理表知，最大绝对误差：

+6℃；

（2）仪表误差：

，仪表的精度等级应定为1.0级；

（3）仪表的基本误差：

∆m=1000⨯（±1.0%）=±10℃,该温度仪表不符合工艺上的误差要求。

6、解

（1）校验数据处理：

标准表读数/MPa

被校表正行程读数/MPa

198

3.96

5.94

7.97

9.99

被校表反行程读数/MPa

2.02

4.03

6.06

8.03

10.01

压力表的变差/%

0.4

0.7

1.2

0.6

0.2

被校表正、行程读数平均值

/MPa

2.00

3.995

6.00

8.00

10.00

仪表绝对误差/MPa

0.00

-0.005

0.00

由以上数据处理表知，该压力表的变差：

1.2%；

（2）仪表误差：

；

但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。

7．解

（1）工程上的压力是物理上的压强，即P=F/S（压强）。

（2）绝对压力是指物体所受的实际压力；

表压力=绝对压力-大气压力；

负压力（真空度）=大气压力-绝对压力

8.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。

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：

1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；2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；3波纹管：

这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。

11．解：

（1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能反映被测压力p的大小。

（2）弹簧管式压力计的主要组成：

弹簧管（测量元件），放大机构，游丝，指针，表盘。

（3）弹簧管压力计测压过程为：

用弹簧管压力计测量压力时，压力使弹簧管产生很小的位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指示出当前的压力值。

12.

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。

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，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。

20.解压力表允许的最大绝对误差为

∆max=1.0MPa⨯1.0%=0.01MPa

在校验点0.5MPa处，绝对误差为

∆=0.5-0.508=-0.008（MPa）

该校验点的测量误差为

故该校验点不符合1.0级精度。

21.解

（1）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。

（2）由于仪表的基本误差∆m由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.解用0~1.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差

∆1max=1.6MPa⨯1.0%=0.016MPa>0.01MPa（允许值）

该表不符合工艺上的误差要求。

用0~1.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差

∆2max=1.0MPa⨯1.0%=0.01MPa>0.01MPa（允许值）

该表符合工艺上的误差要求。

23.解空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限pmin=1.1MPa，工作压力上限pmax=1.6MPa。

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

根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为0~2.5MPa的电接点压力表。

根据测量误差要求，测量的最大误差为

∆max≤1.1⨯5%=0.055（MPa）

则所选压力表的最大引用误差应满足

要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。

24.解合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则

根据压力表量程系列（附表1），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

要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。

25.解压力表的校验

压力表的校验数据及其数据处理结果

被校表读数/MPa

0.00.40.81.2　1.6

最大误差

标准表上行程读数/MPa

0.0000.3850.7901.210　1.595

标准表下行程读数/MPa

0.0000.4050.8101.215　1.595

升降变差/MPa

0.0000.0200.0200.005　0.000

0.020

标准表上、下行程读数平均值/MPa

0.0000.3950.8001.2125　1.595

绝对误差∆/MPa

0.0000.0050.000-0.013　0.005

-0.013

仪表的最大引用误差（从绝对误差和升降变差中选取绝对值最大者做为∆m，求仪表的最大引用误差）

所以，这台仪表1.5级的精度等级合格。

空气贮罐的压力属稳态压力，且pmax=1.0MPa<1.6⨯2/3MPa；pmin=0.8MPa>1.6⨯1/3MPa；最大误差∆max=1.6⨯1.5%=0.024MPa<0.05MPa。

所以这台仪表能用于该空气贮罐的压力测量。

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，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。

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。

􀂄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。

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.解由题知：

p0=0.101325MPa，p1=0.65+0.101325=0.751325（MPa）；T0=293K，

T1=273+40=313（K）；ρ0=1.293kg/Nm3；ρ1=1.977kg/Nm3，Q0=50L/s。

则

38.解由题知ρt=7920kg／m3，ρf=0.831kg／L=831kg／m3，ρW=1000／m3，Q0=10L/min

测苯的流量的修正系数为

Qr=Q0/KQ=10/0.9≈11.1（L/min）

所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min。

当转子材料改为铝时，ρr=2750kg／m3，此时测水的流量的修正系数为

Qr0=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

Qrf=Qr0/KfQ=5/0.87=5.75（L/min）

所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75L/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.解电磁流量计的工作原理是基于管道中的导电流体在磁场中流动时切割磁力线而产生感应电动势的电磁感应原理，流体的流速越大，感应电动势也越大，感应电动势与流量成正比。

电磁流量计只能用来测量导电液体的流量。

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．

（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。

47.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。

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。

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?

（参考）

答

（1）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、解：

差压液位计正压室压力

p1=ρgh1+ρgH+p0

负压室压力

p2=ρgh2+p0

正、负压室的压差

∆p=p1-p2=ρgH-（h2-h1）ρg

H=0时，∆p=-（h2-h1）ρg。

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（h2-h1）ρg

58.什么是热电偶的热电特性？

热电偶的热电势由哪两部分组成？

解：

（1）将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度（T、T0）不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克（Seebeck）效应。

回路中的电势称为热动势，用EAB（T，T0）或EAB（t，t0）.

（2）热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

59、解：

（1）常用的热电偶有如下几种：

（2）所配用的补偿导线如下：

（3）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：

（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或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。

（2）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。

61.试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表？

输入、输出信号各是什么？

解：

热电偶温度计由热电偶（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是热电势。

热电阻温度计由热电阻（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是电阻。

62.用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25C，求设备的温度？

如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？

解用K型热电偶测温时，设设备的温度为t，则E（t，25）=20mV，查K型热电偶分度表，E（25，0）=1.000mV。

根据中间温度定律，

E（t，0）=E（t，25）+E（25，0）=20+1.0=21.000mV

反查K型热电偶分度表，得t=508.4℃

若改用E型热电偶来测次设备温度，同样，根据中间温度定律，测得热电势为

EE（508.4，25）=EK（508.4，0）-EK（25，0）=37678.6-1496.5=36182.1μV≈36.18mV。

63.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），由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有

E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=E（400，0）+E（30，0）=28943+1801=30744μV

反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=422.5℃

64、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，这电势实际上是由K热电偶产生的，即

查分度号K，可得

，由此可见，

由这个数值查分度号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.解查Cul00的分度表，140℃对应电阻为159.96Ω，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

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