化工仪表及自动化课后习题答案

题答案1章自动控制系统基本概念P161.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，，提高设备利用能力的目的。(4)能改变劳动方式，提高工人文动和脑力劳动之间的差别创造条件。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。各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中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。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。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。来实现控制作用的物料。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，冷却水的压若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制12、反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反(反相)，则叠加的结果将使净输入信号减弱，这种反馈叫负反馈。负反馈可以减小非线性失真。因为引入负反馈后，输出端的失真波形反馈到输入端，与输入波形叠加，因此净输入信号成为正半周小，负半周大的波出波形的非线性失真。。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s一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总变量的影响也最大。如果一定很好地克服。阶跃干扰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，并且最终事故。所以22、解蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。温度；操纵变量是蒸汽流量。可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变余差C=81=(℃)。研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。当采用了解它的内在规律，工程整定)，使系统正常地运行。被控对象的特性对自动化的)输入变化量之比，即2、对象特性的数学描述(方程、曲线、表格等)称为对象的数学模型。稳态数学模型描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稳态与动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学的发展，稳态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学出量的利用原设备上的仪表把输出量的变化多，因而测试精度受到限制。为提高放大系数K在数值上等于对象(重新)处于稳定状态时的输出变化量与(引起输出变，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态越大变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或时。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。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14、解:(输入)燃料变化量n的一阶微分方程为ie=5(1et/T)=5(1et/10)(V)o(该系统的时间常数T=RC=51032000106=10s)oooA1A0.5ytKAet/T)℃KAkg/min))1ytyeT)号的变化而变化，因此，前面求解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。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准表读数0被校表读数00(3)仪表的基本误差：=1000(%)=10℃,该温度仪表不符合工艺上的误差要求。m6、解(1)校验数据处理：标标准表读数/MPa被校表正行程读数Pa被校表反行程读数Pa差/%被校表正、行程读Pa差/MPa0000002486max10表不符合级精度。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；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(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(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、测量精度可达级、可以测量压力和差压。许的最大绝对误差为max=%=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由其精度等级和m其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的=%=>(允许值)max23.解空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限p=，工作压力上限p=。设minmax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的最大允许误差应满足25.解压力表的校验压力表的校验数据及其数据处理结果PaPa上、下行程读数平差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，求仪表的m空气贮罐的压力属稳态压力，且p=2/3MPa；p=1/3MPa；最大误差=%=。所以这maxminmax29.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守恒定律，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)，当以上这些条件改化时，节流装置两端的压差也是随之改变的。101010intfW0r0Qgmrr00rQ所以，此时测水的流量的测量范围为0~5L/minQ=Q/K=5/=(L/min)rfr0fQ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(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(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(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1221器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液mA簧的力11022002121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、T)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产0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AB0AB0(2)热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。(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内，补偿导线与配对的热电偶。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T(或t)恒定是才是被测温度T(或t)的单值函0000能直接应用分度表或分度曲线。若T≠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入信号是温度，输出信号是电阻。KmV，冷端(室温)为25C，求设备EtEtEmVEKK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EtEtEEE943+1801=30744V64、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V由K热电偶产生的，即x65.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。只例题:用分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=R/R=的铜热电阻测某一反应器内温度，当1000被测温度为50℃时，该热电阻的阻值R为多少50解分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=的铜热电阻，其R=50，R=50=71。则该铜0100当测某一环境温度时，若热电阻的阻值R=92，则对应的环境温度为t69、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)；ID3.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，xx——输入的最大变化量，即仪表的量程；maxminpmaxpmin——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。pxxp10000pmaxmin控制器的输出变化量p=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……TI的静态准确度，但会使系统稳定性下降，动态性能控制器的放大倍数PI0010.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。PID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)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常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分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三通控制阀配比控制或旁路控制适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于含少量纤维或悬蝶阀大口径、大流量、低压差，含少量纤维或悬浮颗粒状介质适用于高黏度和污秽介质的控制用于高黏度灬带有悬浮物的介质流量控制用、高黏度及含固体颗粒的介质不适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/Q是控制阀某一开度时流量Q与全开时流量Q之比；相对开度l/Lmaxmax等百分比(对数)流量特性maxmaxQmax抛物线流量特性快开流量特性maxmax7．解控制阀的可调范围(可调比)是其所能控制的最大流与最小流量Q的比maxmin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。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，还能够使阀杆位移与送来的信取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。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，被控对工作过