1、化工仪表及自动化第五版完整课后习题答案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，
2、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、
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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
8、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； 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
9、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）Ex13.311 0
10、0 110 52 0 2 0 20 21 1 Q . /. .Q m hdh Q dth Q dt dt t hh t= = = = + = 20 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， 。A h h习题（第二章）Ex14.( )/( 2)/(8 2/ (150 120) / (3.0 2.5) 602(min)( ) 60 0.5(1 )( ) 60 0.5(1 )145 120 2525 6bt 8min0 0.5(1t Tt Tx Q y TK y xy t ey t ey Te = = = = = = = = =令输入量；输出量；放大系数；又由图知纯滞后
11、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)3.35 ( 2) ( 2) 60 ( )(T 3.35)mi0n3 (1 )Ttdy t y t x tdty t e + + = ，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
12、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：= xx0 相对误差： 00 0y x xx x = =习题（第三章）Ex3. 仪表的相对百分误差： 仪表允许的百分误差max 100% max 100%A = =测量范围上限值测量范围下限值100% max 100%A= = 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
13、划分成若干等级的。习题（第三章）Ex5.某一标尺为01000oC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/ 0 201 402 604 706 805 903 1001标准表读数/ 0 200 400 600 700 800 900 1000解：（3）工艺要求： max = 8C100% 0.8%1000 0max 100% 8 = = = C满量程允应选择精度等级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
14、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）E
15、x10.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，
16、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2 2 0 V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
17、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. maxmax1 100% 1%1% 1 0 1% 0.010.012 0.5 0.508 0.008AA MPaMPax x MPa= = = = = = = = 允允允测标）（ ） （ ）允许的最大绝对误差为。） （ ）-0.01 0.01 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1.11.6
18、MPa，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02.5MPa，此时max max2 3 33 2 2p p , p p = 1.6 = 2.4 MPa) 测上限上限测即： （min13p = 1.1(MPa) 2.5 = 0.83(MPa ) 测所选测量范围合适。习题（第三章）续: 精度等级确定：max允=1.15%=0.055(MPa)，
19、max 0.0552.5100% 100% 2.2%A= = = 允允1.52.22.5，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02.5MPa，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
20、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. 0 1 01 01 0 11.293 0.65 293 501.Q Q977 0.10133 31399.1p Tp T= = （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
21、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
22、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
23、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：p0Hp2p1溢出孔121 2p H g pp pp p p H gH gpp = + = = =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：3 3min3 3max3 2min3 2max2 1.0 10 / ,1.5 10 /2 9.8 1.0 10 196002 9.8 1.5
24、10 2940019600 29400H m kg mkg mm Pam PaPa Pa= = = = = = =minmax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）p =Hg N/p =Hg N/范围： 。解：Ex49.习题（第三章）Ex49.1 0 2 1 2 1 02 2 1 0 1001 2 0 2 10( )( )1(p h g h h g pp h h h g pp p p hp hg Kh = + + += + + + = = =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
25、，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p与液位高度H之间的关系为： p=Hg。这就是“无迁移”的情况。当H=0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H=0时，正、负压室的压力并不相等，即p0，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H=0时，尽管差压变送器的输入信号p0，但变送器的输
26、出为标准最小值（对DDZ，即I0=4mA）。 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H=0时，如果差压变送器的输入信号p0，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p0，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
27、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0100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t0=0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
28、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？K KK K KEE EE E E( ,25) 20 (25,0) 1( ,0) ( ,25) (25,0) 20 1 21509(25,0) 1.5509 ( ,0) (509,0) 37.7( ,25) ( ,0) (25,0) 37.7 1.5 36.2E t mV K E mVE t E t E mVtE mVE t E mVE t E t E mV= = + = + = = = =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。(400,0) 28.943 ( ,30)( ,30) (400,0) 28.943(
