制
解 工艺上允许的相对百分误差为
药过程控制原理与仪表
4. 某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0~100m3/h的流量计，流量检测误差小于±0.6m3/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？
???0.6?100%??0.6%
100?0因此选择0.5级精度的流量计才能满足要求。
5. 某温度控制系统，最高温度为700℃，要求测量的绝对误差不超过±10℃，现有两台量程分别为0~1600℃和0~1000℃的1.0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1. 0级和0.5级的两台温度变送器，那么又应该选择哪台仪表更合适？试说明理由。
解 对于量程为0~1600℃和0~1000℃的l.0级仪表，其允许的最大绝对误差分别为：(1600-0)×1%=16(℃)和(1000-0) ×1%=10(℃)，因此。0~1600℃量程的仪表其绝对误差已经超出了工艺上允许的绝对误差(±10℃)，故不能选用。另外，对于最高温度仅为700℃的温度控制系统，其量程也没有必要选0~1600℃这么大量程的仪表。因此，本温度控制系统应该选择0~1000℃量程的1.0级温度检测仪表，这时其绝对误差也能满足要求(±10℃)。
如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1.0级和0.5级的两台温度变送器，应该选择1.0级的更为合适。这时两台仪表都能满足工艺要求，应该选择其中精度较低的仪表，这样可以节省投资，日常维护也比较方便。
6. 某一标尺为0~500℃的温度计出厂前经过校验，其刻度标尺各点的测量结果值为 标准表读数/℃ 被校表读数/℃ (1)求出仪表最大绝对误差值； (2)确定仪表的允许误差及精度等级；
(3)经过一段时间使用后重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？ 解(1)首先计算出各点的绝对误差，找出其中的最大绝对误差是在400℃这一点，其值为
0 0 100 103 200 198 300 303 400 406 500 495 ?max?406?400?6(℃)；
?max6?100%??100%?1.2%故该温度计的精度等级确定为1.5级；
量程500?08(3)当仪表最大绝对误差变为±8℃后，相对百分误差???100%?1.6%，已经超过了1.5级仪表的最大允许相对百分误差1.5%，故已不符
500?0(2)
?允?合仪表出厂时的精度要求。
7. 如何根据待测工艺变量的要求来选择仪表的量程和精度？现欲测往复泵出口压力(约1.2MPa)，工艺要求±0.05MPa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0级，1.5级，2.5级，4.0级，测量范围为0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4.0MPa。试选择压力表的量程和精度。
解 量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。一般而言，仪表的上限应为被测工艺变量的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，例如测量泵的出口压力，则相应取为3/2倍或2倍。为了保证测量值的准确度，通常被测工艺变量的值以不低于仪表全量程的1/3为宜。
仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般来说，所选用的仪表越精密，则测量结果越精确、可靠。但不能认为选用的仪表准确度越高越好，因为越精密的仪表，一般价格越贵，操作和维护越费事。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用准确度较低、价廉耐用的仪表。
当往复泵的出口压力为1.2MPa时，由于往复泵的出口压力波动较大，可取仪表上限为正常压力的2倍，即2.4MPa，所以应选择测量范围为0~2.5MPa的弹簧管压力表。由于出口压力不低出2.5MPa的1/3，故能保证测量值的准确度。
根据题意，允许的相对百分误差
???0.05?100%??2%，故应选择的精度等级为1.5级。
2.510.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度级)。
解 由于合成塔内的压力比较平稳，故压力测量上限可选工作压力的3/2倍，即14×3/2=21(MPa)，测量范围可选0~25MPa。 根据所选量程和误差要求，算得允许相对百分误差
??0.4?100%?1.6%，压力表的精度等级应选1.5级。
25?0由于所测的介质是氨气，由产品目录可选氨用压力表YA-100。
11.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其测量范围为20~100kPa，当输人信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？
解 当输入为40 kPa时，其输出为
I0?当输入为70kPa时，其输出为
20?4(40?20)?4?8(mA)
100?2020?4(70?20)?4?14(mA)
100?20I0?18.图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。已知介质液位的变化范围h=0~950mm，介质密度ρ=1200kg/m3，两取压口之间的高度差
H=1200mm，变送器毛细管中填充的硅油密度为ρ1= 950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。
图3-15 液位测量系统
解
?pmax?hmax?g?0.95?1200?9.81?11183.4(Pa)
第5页
制
因此变送器量程可选0~16kPa。 负迁移量为
药过程控制原理与仪表
H?1g?1.2?950?9.81?11183.4(Pa)
19.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热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？
解((1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即
E(t,t0)?20mV查表可得 因为
E(t0,0)?E(25,0)?1mV
E(t,0)?E(t,t0)?E(t0,0)?20?1?21mV
E(t0,0)?E(25,0)?1.5mV
由此电势，查表可得t=509℃，即设备温度为509℃。
(2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。查表可得
设备温度为509℃，查表可得
因为
E(t,0)?E(509,0)?37.7mV
E(t,t0)?E(t,0)?E(t0,0)?37.7?1.5?36.2mV
即E热电偶测得的热电势为36.2mV。
22.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，这电势实际上是由K热电偶产生的，即
E(tx,25)?10501?V
查分度号K，可得
E(20,0)?1000?V，由此可见，
E(tx,0)?E(tx,25)?E(25,0)?10501?1000?11501?V
第四章
显示仪表
由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。 一.
问题解答
答 图4-1是自动电子电位差计的简单原理图。当热电势Et与已知的直流压降相比较时，若Et≠ECB，其比较之后的差值(即不平衡信号)经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，使可逆电机又通过一套传动系统去带动滑动触点C的移动，直到Et=ECB时为止。这时放大器输入端的输入信号为零，可逆电机不再转动，测量线路就达到了平衡，这样ECB就可以代表被测量的Et值。
图4-1 电子电位差计原理图
由此可知，电子电位差计是利用已知的电压ECB去补偿未知的热电势Et的，故是基于补偿测量法工作的。由于当Et=ECB时，热电偶回路是没有电流流过的，因此线路电阻值的变化，对电子电位差计的测量不会造成影响的。 10.数字式显示仪表主要由哪几部分组成？各部分有何作用？
答 数字式显示仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数(A/D)转换、标度变换、数字显示、电压/电流(V/I)转换及各种控制电路等部分。 信号变换电路是为了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；前置放大电路是为了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转换是为了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，使数显仪表的显示值和被测原始参数统一起来；数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来；V/I转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号；控制电路可以根据PID控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号。 11.试简述无纸记录仪的主要特点。
答 无纸记录仪是一种以CPU为核心、采用液晶显示的新型显示记录仪表，完全摒弃了传统记录仪的机械传动、纸张和笔。其记录信号是通过CPU来进行转化和保存的，记录信号可以根据需要在屏幕上放大或缩小，便于观察，并且可以将记录曲线或数据送往打印机进行打印，或送往个人计算机加以保存和进一步处理。无纸记录仪精度高，价格与一般记录仪相仿。 二.
例题分析
1. 对于配有镍铬一镍硅热电偶，且标尺始端为0℃的电子电位差计，当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时，问这时应指示多少度？输人信号为多少？若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示多少度？输人信号为多少？
解 因为自动电子电位差计的冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的，所以当热电偶的热端温度为0℃，冷端温度为25℃时，指示的应是热端温度0℃，这时放大器的输入信号为0。若热端和冷端均为0℃时，送到放大器的输人信号约为＋1000μV，这时应指在25℃。
2. 图4-7所示为一自动平衡电桥的测量桥路示意图，请问在下列情况仪表的指针、起点温度、量程会如何变化？为什么？(1)温度升高；(2)仪表停电；(3)加大R6; (4)减小R5；(5) A线断；(6) B线断；(7) C线断。
1. 自动电子电位差计是如何基于补偿测量法工作的？线路电阻(即外阻)值的变化，对电子电位差计的测量有无影响？为什么？
第6页
制药过程控制原理与仪表
图4-7 自动平衡电桥
解 (1)当温度升高时，指针向M方向移动。因为温度升高，Rt增加，只有减小与Rt串联的电阻才能使电桥达到新的平衡。 (2)仪表停电时，指针随拨随停，因为此时UOD=0，放大器没有输出信号。
(3)加大R6，指针向M方向移动，因为R6与Rt串联，当R6增加时，UOD增加，指针只有左移电桥才能达到新的平衡。这样使得M点的起点温度降低。 (4)减小R5，流过RP的电流减小，量程也就减小。
(5)A线断开，相当于Rt→∞，温度升高，这时指针指到N点。 (6) B线断开，UOD不能为零，而是正数，这样指针左移直到M点。 (7) C线断开，UOD永远为零，指针可停留在任何位置。 3. 热电阻短路或断路时，电子自动平衡电桥指针分别指在何处？
解 热电阻短路，相当于Rt =0，指针会直指向始端，直到受到限位为止，相当于温度非常低。 热电阻断路，相当于Rt→∞，指针会直指向终端，直到受限位为止，相当于温度非常高。 三.
习题
1.一台与热电偶配套的自动平衡电子电位差计，其冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的。问在下列两种情况下，其温度指示值会偏低或偏高？ (1)实际冷端温度低于25℃； (2)实际冷端温度高于25℃。 答：1. (1)偏高；(2)偏低。
3.在自动电子平衡电桥中，连接电源的线路电阻若发生变化，对测量的结果有否影响？ 答：没有影响。
第五章
一.
问题解答
1. 从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型？
答 主要有三种类型：基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基础的控制装置。 2. 控制器的控制规律是指什么？常用的控制规律有哪些？
答 所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即 p?f(e)?f(z?x)
式中，z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系。
常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI, PD, PID等。 3. 什么是比例控制规律？
答 比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输人偏差信号变化量e之间成比例关系，即
p?KPe
式中，Kp为比例放大系数。
4. 什么是积分控制规律？什么是比例积分控制规律？
答 积分控制规律是指控制器的输出变量p与输人偏差e的积分成正比，即
p?KI?edt
式中，KI为积分比例系数。
在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出p与输入e的关系为：
p?KP(e?KI?edt)
5. 什么是微分控制与比例微分控制？
答 微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输人偏差e的变化速度成正比，即
p?TdeD dt式中，TD为微分时间。
在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出p与输入e的关系为
p?KdeP(e?TD
dt)14.试写出比例积分微分(PID)三作用控制规律的数学表达式。
答
p?K1P(e?TedtdeI??TDdt) 二.
例题分析 1. 一台DDZ-III型温度比例控制器，测量的全量程为0~1000℃，当指示值变化100℃,控制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？
解 根据比例度的定义
?????e?I?0??xmax?xminI??100% max?Imin??代人有关数据，得
80%???100?I0? ?1000?020?4???100%可解得输出变化量△I0=2(mA)
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化工仪表及自动化课后参考答案
