化工仪表及自动化课后习题答案

由天下分享时间：2024/9/11 17:52:23 加入收藏我要投稿点赞

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 标准表上行程读数/MPa 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 最大误差 0.000 0.385 0.790 1.210 1.595 标准表下行程读数/MPa 0.000 0.405 0.810 1.215 1.595 升降变差/MPa 0.000 0.020 0.020 0.005 0.020 0.000 标准表上、下行程读数平均值/MPa 0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595 绝对误差?/MPa 0.000 0.005 0.000 -0.013 -0.013 0.005 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）；?0=1.293kg/Nm；?1=1.977kg/Nm，Q0=50L/s。则

38. 解由题知?t=7920kg／m，?f=0.831kg／L=831kg／m，?W=1000／m，Q0=10 L/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，?r=2750kg／m，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=?gh1+ ?gH+p0

负压室压力

p2=?gh2+ p0

正、负压室的压差

?p=p1?p2= ?gH?(h2?h1) ?g

H=0时，?p= ?(h2?h1) ?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(h2?h1) ?g 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=21.000 mV

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=36182.1?V?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=30744?V

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

E(20,0)?1000?V，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、100 Ω 、50 Ω 、100 Ω 。

67. 解查Cul00的分度表，140℃对应电阻为159.96?，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℃

例题:用分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=R100/R0=1.42的铜热电阻测某一反应器内温度，当被测温度为50℃时，该热电阻的阻值

R50为多少？若测某一环境温度时热电阻的阻值为92?，该环境温度为多少？

解分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=1.42的铜热电阻，其R0=50?，R100=50?1.42=71?。则该铜热电阻测温的灵敏度k为

k?71?50?0.21(?/℃)

100?0被测温度为50℃时，电阻值R50=50?+0.21?/℃?50℃=60.5?。

当测某一环境温度时，若热电阻的阻值Rt=92?，则对应的环境温度为

t=(92?50)/0.21=200℃。

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。

第4章自动控制仪表 P139

1.解控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即

控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控制(P)；积分控制(I)；微分控制(D)。

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。余差的产生是由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。

4．解比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：式中 e ——输入变化量；

p ——相应的输出变化量；

xmax?xmin——输入的最大变化量，即仪表的量程；

pmax?pmin——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。

5．解 ??epmax?pmin20?41001.6?????80% pxmax?xminp1000?0p控制器的输出变化量 p=1.6/80%=2(mA)

6. 比例度对控制过程的影响：比例度越大，比例控制越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大；比例度越小，比例控制越强，过渡过程曲线越振荡，系统的稳定性和动态性能变差，但余差也越小，提高了系统的静态准确度；比例度过小，可能会出现发散振荡。

?? 选择比例度要注意：若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大系数较小，可选择小比例度来提高系统的灵敏度，使过渡过程曲线形状较好；反之，为保证系统的稳定性，应选择大的比例度。

7. 积分控制能消除余差的原因：因为积分控制作用的输出与输入偏差的积分成正比，只要有偏差存在，积分控制作用将随时间不断变化，直至偏差完全消除，系统才能稳定下来，所以……

8. TI就用来表示积分控制强弱的一个参数。TI越小，积分控制作用越强；TI越大，积分控制作用越弱。

?? TI越小，余差消除越快，可提高系统的静态准确度，但会使系统稳定性下降，动态性能变差； TI越大，余差消除越慢； TI→∞时，成为纯比例控制。 9. 解控制器的放大倍数

KP=1/?=1/100%=1

控制器的积分时间TI=2min，稳态输出p0=5mA；控制器的输入变化量为A=0.2mA。经历时间t=5min。则输出变化量所以，经历时间5min后，控制器的输出为

p=p0+?p=5+0.7=5.7(mA)

10. 因为微分控制作用的输出与输入偏差的变化速度成正比，一旦偏差不变化，即使偏差非常大，微分控制也无能为力了，所以微分控制规律不能单独使用。

11. 试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。

解 PID控制器的控制规律的数学表达式为

其中，e—输入变化量；p—相应的输出变化量；KP—放大倍数；TI—称为积分时间；TD—微分时间。 12.试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。

解比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差(有差控制) 积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差(无差控制)

微分控制规律的特点是控制响应快，故有超前控制之称；但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制器。

第5章执行器 p151

1. 解气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小产生相应的推力F和直线位移l，推动控制机构动作，所以它是将控制信号的大小转换为阀杆位移的装置；控制机构是执行器的控制部分，它直接与操纵介质接触，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．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

4．解控制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系：

式中，相对流量Q/Qmax是控制阀某一开度时流量Q与全开时流量Qmax之比；相对开度l/L是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。

在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。主要有：

?直线流量特性

Q1?l???1?(R?1)?； QmaxR?L??l??1?等百分比（对数）流量特性 Q?R??L??；

QmaxQ??抛物线流量特性 d?QQmax??K?????d?lL??Qmax?12；

2l??快开流量特性 Q?1?1?(R?1)QmaxR?L???等四种。

7．解控制阀的可调范围（可调比）是其所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值，即

在串、并联管道中，由于分压和分流作用，可调范围都会变小。 8. 解串联管道中的阻力比s为

s值变化时，管道阻力损失变化，控制阀前后压差变化，进而影响到流量的变化，即理想流量特性发生畸变。s = 1时，管道阻力损失为零，系统总压差全降在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，直线特性渐渐趋近于快开特性，等百分比特性渐渐接近于直线特性。所以，在实际使用中，一般希望s值不低于0.3，常选s=0.3~0.5。s?0.6时，与理想流量特性相差无几。 9. 解并联管道中的分流比x为

x值变化时，控制阀的流量变化，控制阀所控制的流量与总管的流量产生差异，因此，其理想流量特性将会发生畸变。x=1时，

控制阀的流量就是总管的流量，工作特性与理想特性一致。随着x值的减小，旁路阀逐渐打开，虽然控制阀的流量特性变化不大，但可调范围却降低了。

11. 解气动执行器（控制阀）的气开式为，有压力控制信号时阀开，无压力控制信号时阀处于全关；气关式为，有压力控制信号时阀关，无压力控制信号时阀处于全开。气动执行器的气开式与气关式的选择原则是考虑工艺生产的安全，即控制信号中断时，应保证设备和工作人员的安全。 16.试述电-气阀门定位器的用途。

答电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。

第6章简单控制系统 p168

1、简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

2.解该反应器温度控制系统方块图如下图所示。

题解7-2图反应器温度控制系统方块图

其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。

根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。

3、试简述家用电冰箱的工作过程，画出其控制系统的方框图。 7．（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；

（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；

（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

12. 根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。