何道清《仪表与自动化》课后答案26270.docx

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1、仪表与自动化第二版第1章 自动控制系统基本概念1-3 自动控控制系统主要要由哪些环节节组成？解 自动控制制系统主要由由检测变送器器、控制器、执执行器和被控控对象等四个个环节组成。 1-55 题1-55图为某列管管式蒸汽加热热器控制流程程图。试分别别说明图中PPI-3077、TRC-303、FFRC-3005所代表的的意义。题1-5图 加热器控制制流程图解 PI-3307表示就就地安装的压压力指示仪表表，工段号为为3，仪表序序号为07；TRC-3033表示集中仪仪表盘安装的的，具有指示示记录功能的的温度控制仪仪表；工段号号为3，仪表表序号为033；FRC-3055表示集中仪仪表盘安装的的，具有指

2、示示记录功能的的流量控制仪仪表；工段号号为3，仪表表序号为055。 1-77 在自动控控制系统中，测测量变送装置置、控制器、执执行器各起什什么作用？解 测量变送送装置的功能能是测量被控控变量的大小小并转化为一一种特定的、统统一的输出信信号（如气压压信号或电压压、电流信号号等）送往控控制器；控制器接受测量量变送器送来来的信号，与与工艺上需要要保持的被控控变量的设定定值相比较得得出偏差，并并按某种运算算规律算出结结果，然后将将此结果用特特定信号（气气压或电流）发发送出去执行器即控制阀阀，它能自动动地根据控制制器送来的信信号值来改变变阀门的开启启度，从而改改变操纵变量量的大小。1-8试分别别说明什么

3、是是被控对象、被被控变量、给给定值、操纵纵变量、操纵纵介质？解：被控对象（对对象）自动控制制系统中，工工艺参数需要要控制的生产产过程、生产产设备或机器器。被控变量被被控对象内要要求保持设定定值的工艺参参数。控系统统通常用该变变量的名称来来称呼，如温温度控制系统统，压力制系系统等。给定值（或设定定值或期望值值）人们希望望控制系统实实现的目标，即即被控变量的的期望值。它它可以是恒定定的，也可以以是能按程序序变化的。操纵变量（调节节变量）对被控变量量具有较强的的直接影响且且便于调节（操操纵）的变量量。或实现控控制作用的变变量。操纵介质(操纵纵剂)用来实实现控制作用用的物料。1-11 题ll-11图所

4、所示为一反应应器温度控制制系统示意图图。A、B两两种物料进入入反应器进行行反应，通过过改变进入夹夹套的冷却水水流量来控制制反应器内的的温度不变。试试画出该温度度控制系统的的方块图，并并指出该系统统中的被控对对象、被控变变量、操纵变变量及可能影影响被控变量量的干扰是什什么？并说明明该温度控制制系统是一个个具有负反馈馈的闭环系统统。题1-11图 反应器温度度控制系统解 该温度控控制系统的方方块图题解1-11图图 反应器器温度控制系系统方块图其中，被控对象象：反应器；被控变量：反应器内的的温度；操纵纵变量：冷却却水流量。可能影响被控变变量的干扰因因素主要有AA、B两种物物料的温度、进进料量，冷却却水

5、的压力、温温度，环境温温度的高低等等。若当反应器内的的被控温度在在干扰作用下下升高时，其其测量值与给给定值比较，获获得偏差信号号，经温度控控制器运算处处理后，输出出控制信号去去驱动控制阀阀，使其开度度增大，冷却却水流量增大大，这样使反反应器内的温温度降下来。所所以该温度控控制系统是一一个具有负反反馈的闭环控控制系统。1-12 题11-11图所所示的温度控控制系统中，如如果由于进料料温度升高使使反应器内的的温度超过给给定值，试说说明此时该控控制系统的工工作情况，此此时系统是如如何通过控制制作用来克服服干扰作用对对被控变量影影响的？解：当反应器内内的温度超过过给定值（即即升高）时，温温度测量元件件

6、测出温度值值与给定值比比较，温度控控制器TC将将比较的偏差差经过控制运运算后，输出出控制信号使使冷却水阀门门开度增大，从从而增大冷却却水流量，使使反应器内的的温度降下来来，这样克服服干扰作用对对被控变量影影响。1-13 按给给定值形式不不同，自动控控制系统可分分哪几类？解：按给定值形形式不同，自自动控制系统统可以分为以以下三类：定值控制系统统给定值恒恒定的控制系系统。随动控制系统统（自动跟踪踪系统）给定值随机机变化的系统统。程序控制系统统给定值按按一定时间程程序变化的系系统。 1-119 某化学学反应器工艺艺规定操作温温度为(900010)。考虑安全全因素，控制制过程中温度度偏离给定值值最大不

7、得超超过80。现设计的的温度定值控控制系统，在在最大阶跃干干扰作用下的的过渡过程曲曲线如题1-19图所示示。试求该系系统的过渡过过程品质指标标：最大偏差差、超调量、衰衰减比、余差差、振荡周期期和过渡时间间（被控温度度进入新稳态态值的1%（即即900（1%）=9）的时间），并并回答该控制制系统能否满满足题中所给给的工艺要求求？题1-19图 温度控制制系统过渡过过程曲线解 最大偏差差A=950-9000=50（）；超调量B=9550-908=42（）；由于B=9188-908=110（），所以，衰衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=9088-900=88；振荡周期T=445-9=366(

8、min)；过渡时间ts=47minn。因为A=5080，C=81.00%，所以该该压力表不符符合1.0级级精度。3-7什么叫叫压力？表压压力、绝对压压力、负压力力(真空度)之间有何关关系？解 （1）工工程上的压力力是物理上的的压强，即PP=F/S（压压强）。（2）绝对压力力是指物体所所受的实际压压力；表压力=绝对压压力-大气压力力； 负压压力（真空度度）=大气压压力-绝对压力力3-10作为为感受压力的的弹性元件有有哪几种？解 弹簧管式式弹性元件、薄膜式弹性性元件（有分分膜片式和膜膜盒式两种）、波波纹管式弹性性元件。3-11弹簧簧管压力计的的测压原理是是什么？试述述弹簧管压力力计的主要组组成及测

9、压过过程。解：（1）弹簧簧管压力计的的测压原理是是弹簧管受压压力而产生变变形，使其自自由端产生相相应的位移，只只要测出了弹弹簧管自由端端的位移大小小，就能反映映被测压力pp的大小。 （2）弹弹簧管式压力力计的主要组组成：弹簧管管（测量元件件），放大机机构，游丝，指指针，表盘。 （3）弹弹簧管压力计计测压过程为为：用弹簧管管压力计测量量压力时，压压力使弹簧管管产生很小的的位移量，放大大机构将这个个很小的位移移量放大从而而带动指针在在表盘上指示示出当前的压压力值。3-14 电容容式压力传感感器的工作原原理是什么？有何特点？解 见教材第第3章3.22.5节。当当差动电容传传感器的中间间弹性膜片两两边

10、压力不等等时，膜片变变形，膜片两两边电容器的的电容量变化化（不等），利利用变压器电电桥将电容量量的变化转换换为电桥输出出电压的变化化，从而反映映膜片两边压压力的差异（即即压差）。其特点：输出信信号与压差成成正比；应用用范围广，可可用于表压、差差压、流量、液液位等的测量量。3-15 某压压力表的测量量范围为01MPa，精精度等级为11.0级，试试问此压力表表允许的最大大绝对误差是是多少？若用用标准压力计计来校验该压压力表，在校校验点为0.5MPa时时，标准压力力计上读数为为0.5088MPa，试试问被校压力力表在这一点点是否符合11级精度，为为什么？解 压力表允允许的最大绝绝对误差为Dmax=1

11、.00MPa1.0%=0.01MPaa在校验点0.55MPa处，绝绝对误差为D=0.5-0.5508=-0.008(MMPa)该校验点的测量量误差为故该校验点不符符合1.0级级精度。3-16为什什么测量仪表表的测量范围围要根据测量量大小来选取取？选一台量量程很大的仪仪表来测量很很小的参数值值有何问题？解 （1）为为了保证敏感感元件能在其其安全的范围围内可靠地工工作，也考虑虑到被测对象象可能发生的的异常超压情情况，对仪表表的量程选择择必须留有足足够的余地，但但还必须考虑虑实际使用时时的测量误差差，仪表的量量程又不宜选选得过大。 （2）由由于仪表的基基本误差Dm由其精度等等级和量程决决定，在整个个

12、仪表测量范范围内其大小小是一定的，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。 3-117 如果某某反应器最大大压力为0.8MPa，允允许最大绝对对误差为0.01MPaa。现用一台台测量范围为为01.66MPa，精精度为l.00级的压力表表来进行测量量，问能否符符合工艺上的的误差要求？若采用一台台测量范围为为01.00MPa，精精度为1.00级的压力表表，问能符合合误差要求吗吗？试说明其其理由。解 用011.6MPaa、精度为ll.0级的压压力表来进行行测量的基本本误差D1max=1.6MPa11.0%=00.016MMPa0.01MPaa(允许值)该表不符合工艺艺上的误差要要求

13、。 用01.0MPPa、精度为为l.0级的的压力表来进进行测量的基基本误差D2max=1.0MPa11.0%=00.01MPPa0.001MPa(允许值)该表符合工艺上上的误差要求求。3-18 某台台空压机的缓缓冲器，其工工作压力范围围为1.11.6MPPa，工艺要要求就地观察察罐内压力，并并要求测量结结果的误差不不得大于罐内内压力的5，试选择一一台合适的压压力计(类型型、测量范围围、精度等级级)，并说明明其理由。解 空压机缓缓冲器内压力力为稳态压力力，其工作压压力下限pmmin=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

14、系，有根据压力表量程程系列（附表表1），可选选YX-1550型、测量量范围为02.5MPPa的电接点点压力表。根据测量误差要要求，测量的的最大误差为为Dmax1.155%=0.0055(MPPa)则所选压力表的的最大引用误误差应满足要求，故可选精精度等级为11.5级的压压力表。3-19 某合合成氨厂合成成塔压力控制制指标为144MPa，要要求误差不超超过0.4MMPa，试选选用一台就地地指示的压力力表(给出型型号、测量范范围、精度等等级)。解 合成塔控控制压力144MPa为高高压，设所选选压力表的量量程为p，则则根据压力表量程程系列（附表表1），可选选YX-1550型、测量量范围为025MPa

15、a的电接点压压力表。根据测量误差要要求，所选压压力表的最大大允许误差应应满足要求，故可选精精度等级为11.5级的压压力表。 3-220 现有一一台测量范围围为01.6MPa，精精度为1.55级的普通弹弹簧管压力表表，校验后，其其结果为：被校表读数/MMPa00 04 088 12 16标准表上行程读读数/MPa0000 03385 0790 12110 15595标准表下行程读读数/MPa0000 04405 0810 12115 15995试问这台表合格格否？它能否否用于某空气气贮罐的压力力测量（该贮贮罐工作压力力为0.81.0MPPa，测量的的绝对误差不不允许大于00.05MPPa）？解

16、压力表的的校验表3-1 压力力表的校验数数据及其数据据处理结果被校表读数/MMPa0.0 0.4 0.88 11.2 1.66最大误差标准表上行程读读数/MPaa0.000 0.3855 0.7790 11.210 1.5595标准表下行程读读数/MPaa0.000 0.4055 0.8810 11.215 1.5595升降变差/MPPa0.000 0.0200 0.0020 00.005 0.00000.020标准表上、下行行程读数平均均值/MPaa0.000 0.3955 0.8800 11.21255 1.5595绝对误差D/MPPa0.000 0.0055 0.0000 -0.0133

17、 0.005-0.013仪表的最大引用用误差（从绝绝对误差和升升降变差中选选取绝对值最最大者做为Dmm，求仪表的的最大引用误误差）所以，这台仪表表1.5级的的精度等级合合格。空气贮罐的压力力属稳态压力力，且pmax=1.0MPa11.61/33MPa；最最大误差Dmaax=1.661.5%=0.0244MPa0.05MPaa。所以这台台仪表能用于于该空气贮罐罐的压力测量量。3-24什么么叫节流现象象？ 流体经经节流装置时时为什么会产产生静压差？解：流体在有节节流装置的管管道中流动时时，在节流装装置前后的管管壁，流体的的静压力产生生差异的现象象，称为节流流现象。流体经节流装置置时，由于节节流装置

18、前后后流体截面的的该变，造成成流体流速的的改变，从而而产生节流装装置前后的压压力差。3-28 为什什么说转子流流量计是定压压式流量计？解：转子流量计计测量流体流流量时，转子子前后流体压压力的压差Dpp为一常数，即即=const.（恒量）3-32 用转转子流量计来来测气压为00.65MPPa、温度为为40的CO2气体的流量量时，若已知知流量计读数数为50L/s，求COO2的真实流量量（已知COO2在标准状态态时的密度为为1.9777kgm33）。解 由题知：p0=0.1001325MMPa，p11=0.655+0.1001325=0.7511325(MMPa)；TT0=293KK，T1=273+

19、40=3113（K）；r0=1.2993kg/NNm3；r1=1.9777kg/NNm3，Q0=50L/ss。则3-33 用水水刻度的转子子流量计，测测量范围为0010L/min，转转子用密度为为7920kkgm3的不锈钢制制成，若用来来测量密度为为0.8311kgL苯苯的流量，问问测量范围为为多少？若这这时转子材料料改为由密度度为27500kgm33的铝制成，问问这时用来测测量水的流量量及苯的流量量，其测量范范围各为多少少？解 由题知rtt=79200kgm33，rf=0.8331kgLL=831kkgm3，rW=10000m3，Q0=10 L/min测苯的流量的修修正系数为Qr=Q0/KK

20、Q=10/00.911.1(L/mmin)所以，苯的流量量测量范围为为011.1L/miin。当转子材料改为为铝时，rr=27500kgm33，此时测水水的流量的修修正系数为Qr0=Q0/KrQ=10/2=5(LL/min)所以，此时测水水的流量的测测量范围为005L/mmin测苯的流量的修修正系数为Qrf=Qr00/KfQ=5/0.87=5.75（L/min）所以，此时测苯苯的流量的测量量范围为05.75LL/min。3-36 涡轮轮流量计的工工作原理及特特点是什么？解：（1）涡轮轮流量计的工工作原理：流流体在管道中中流动时使叶叶轮旋转，转转速与流体的的流速成线性性关系，磁电电感应转换器器将

21、叶轮的转转速转换成相相应的电脉冲冲信号，反映映流体流速的的大小。流速与管道道截面的乘积积就是流体的的流量。 （2）涡涡轮流量计的的特点：安装装方便、测量精度高高、可耐高压、反应快、便于远传、不受干扰、容易磨损等等特点。 3-337 电磁流流量计的工作作原理是什么么？它对被测测介质有什么么要求？ 解 电磁流量计计的工作原理理是基于管道道中的导电流流体在磁场中中流动时切割割磁力线而产产生感应电动动势的电磁感感应原理，流流体的流速越越大，感应电电动势也越大大，感应电动动势与流量成成正比。电磁磁流量计只能能用来测量导导电液体的流流量。3-46 什么么是液位测量量时的零点迁迁移问题？怎怎样进行迁移移？其

22、实质是是什么？解 （1）当被被测容器的液液位H=0时时，差压液位位计所感受的的压差Dp0的现象，称称为液位测量量时的零点迁迁移，3-48 测量量高温液体(指它的蒸汽汽在常温下要要冷凝的情况况)时，经常常在负压管上上装有冷凝罐罐(见题3-19图)，问问这时用差压压变送器来测测量液位时，要要不要迁移？如要迁移，迁迁移量应如何何考虑？题3-19图 高温液体体的液位测量量解：差压液位计计正压室压力力p1=rgh1+ rgH+p0负压室压力p2=rgh2+ p0正、负压室的压压差Dp=p1-p2= rgH-(h2-h1) rg H=00时，Dp= -(h2-h1) rg。这种液位测量时时，具有“负迁移”

23、现象，为了了使H=0时，Dp=0，该差差压变送器测测液位时需要要零点迁移，迁迁移量为(hh2-h1) rg3-54 什么么是热电偶的的热电特性？ 热电偶的的热电势由哪哪两部分组成成？解：（1）将两两种不同的导导体（金属或或合金）A和B组成一个闭闭合回路（称称为热电偶），若若两接触点温温度(T、T0)不同，则回回路中有一定定大小电流，表表明回路中有有电势产生，该该现象称为热热电动势效应应或塞贝克（Seebeck）效应。回路中的电势称为热动势，用EAB(T，T0)或EAB(t，t0).（2）热电偶的的热电势由接接触电势和温温差电势两部部分组成。3-22常用用的热电偶有有哪几种？所所配用的补偿偿导线

24、是什么么？为什么要要使用补偿导导线？并说明明使用补偿导导线时要注意意哪几点？解：（1）常用用的热电偶有有如下几种：（2）所配用的的补偿导线如如下：（3）用廉价的的补偿导线代代替热电偶使使冷端远离热热端不受其温温度场变化的的影响并与测测量电路相连连接。使用补补偿导线时要要注意：在一一定的温度范范围内，补偿偿导线与配对对的热电偶具具有相同或相相近的热电特特性；保持延延伸电极与热热电偶两个接接点温度相等等。3-56 用热热电偶测温时时，为什么要要进行冷端温温度补偿？其其冷端温度补补偿的方法有有哪几种？解：（1）热电电偶的热电势势只有当T0（或t0）恒定是才才是被测温度度T（或t）的单值函函数。热电偶

25、偶标准分度表表是以T00为参考温度度条件下测试试制定的，只只有保持T00，才能直接接应用分度表表或分度曲线线。若T00，则应进行行冷端补偿和和处理。（2）冷端温度度补偿的方法法有：延长导导线法，0恒温法，冷冷端温度修正正法，冷端温温度自动补偿偿法等。3-57试述热热电偶温度计计、热电阻温温度计各包括括哪些元件和和仪表？输入入、输出信号号各是什么？解：热电偶温度度计由热电偶偶（感温元件件）、显示仪仪表和连接导导线组成；输输入信号是温温度，输出信信号是热电势势。热电阻温度计由由热电阻（感感温元件）、显显示仪表和连连接导线组成成；输入信号号是温度，输输出信号是电电阻。3-58 用KK型热电偶测测某设

26、备的温温度，测得的的热电势为220mV，冷冷端（室温）为为25C，求求设备的温度度？如果改用用E型热电偶偶来测温，在在相同的条件件下，E热电电偶测得的热热电势为多少少？解 用K型热热电偶测温时时，设设备的的温度为t，则E(t，25)=20mV，查查K型热电偶分分度表，E(25，00)=1.0000mV。根根据中间温度度定律，E(t，0)= E(t，25)+ E(255，0)=220+1.00=21.0000 mVV反查K型热电偶偶分度表，得得t=508.4若改用E型热电电偶来测次设设备温度，同同样，根据中中间温度定律律，测得热电电势为EE(508.4，25)= EK(508.4，0)- EK(

27、25，00)=376678.6-11496.55=361882.1mV36.188mV。 3-559 现用一一支镍铬-铜铜镍热电偶测测某换热器内内的温度，其其冷端温度为为30，显显示仪表的机机械零位在00时，这时时指示值为4400，则认为换换热器内的温温度为4300对不对？为为什么？正确确值为多少度度？解 认为换热热器内的温度度为430不对。设换热器内的温温度为t，实实测热电势为为E(t，330)，根据据显示仪表指指示值为4000，则有E(t，300)= E(400，00)，由中间间温度定律并并查镍铬-铜铜镍（E型）热热电偶分度表表，有E(t，0)= E(t，30)+ E(30，00)= E(

28、400，00)+ E(30，00)=289943+18801=300744mV反查镍铬-铜镍镍热电偶分度度表，得换热热器内的温度度t=422.53-60试述述热电阻测温温原理？常用用测温热电阻阻有哪几种？热电阻的分分度号主要有有几种？相应应的R0各为多少？解：（1）热电电阻测温原理理：电阻温度度效应，即大大多数金属导导体的电阻值值随温度而变变化的现象。 （2）常常用测温热电电阻有：铂热热电阻和铜热热电阻。 （3）铂铂热电阻的分分度号主要有有： Ptt100，（R0=100W）； Ptt50，（RR0=50W）； Pt10000，（R0=10000W）；等 铜热电电阻的分度号号主要有： Cuu1

29、00，（R0=100W）； Cu50，（R0=50W）；等等3-62 用分分度号为Pttl00铂电电阻测温，在在计算时错用用了Cul000的分度表表，查得的温温度为1400，问实际温温度为多少？解 查Cull00的分度度表，1400对应电阻为为159.996W，而该电电阻值实际为为Ptl000铂电阻测温温时的电阻值值，反查Pttl00的分分度表，得实实际温度为1157 3-663 用分度度号为Cu550、百度电电阻比W(100)=R100/R0=1.422的铜热电阻阻测某一反应应器内温度，当当被测温度为为50时，该该热电阻的阻阻值R50为多少？ 若测某一一环境温度时时热电阻的阻阻值为92W，该

30、该环境温度为为多少？解 分度号为为Cu50、百百度电阻比WW(100)=1.422的铜热电阻阻，其R0=50W，R100=5001.42=71W。则该该铜热电阻测测温的灵敏度度k为(W/)被测温度为500时，电阻值值R50=50W+0.21W/50=60.5W。当测某一环境温温度时，若热电阻的的阻值Rt=92W，则对应的环境境温度为t=(92-500)/0.221=2000。第4章 显示仪仪表4-10 对于于标尺始端为为0的电子电位位差计，当热热电偶的热端端为0，冷端为225时，问这时时应指示多少少度？输入信信号为多少？若热端为00，冷端也为为0时，这时应应指示多少度度？输入信号号为多少？解

31、当热电偶偶的热端为00，冷端为225时，应指示示0；输入信号为E(0，25)= -E(25，00)。若热端为0，冷冷端也为0时，这时应应指示0；输入信号为为E(0，0)=0。 4-112 如题44-12图所所示热电偶测测温系统，热热电偶的型号号为K，请回回答： (1)这是工工业上用的哪哪种温度计？(2)显示仪表表应采用哪种种仪表？该仪仪表的输入信信号是多少？应指示多少少温度？题4-12图 热电偶测测温系统图解 （1）这这是工业上用用的热电偶温温度计。（2）显示仪表表应采用XCCZ-1011型动圈式显显示仪表或电电子电位差计计显示仪表；仪表的输入入信号是K型热电偶的的热电势E(600，225)，

32、E(600，225)= EE(600，00) - E(25，00)=249902 -10000=233902（mVV）；指示温度应为6600（显示仪表表内具有冷端端温度自动补补偿，能直接接显示被测温温度）。4-13 测温温系统如题44-13图所所示。请说出出这是工业上上用的哪种温温度计？已知知热电偶为KK，但错用与与E配套的显显示仪表，当当仪表指示为为160时，请计算算实际温度ttx为多少度？（室温为225）题4-13图 测温系统统图解 这是工业业上用的热电电偶温度计。当与E型热电偶偶配套的显示示仪表指示为为160、室温为255时，显示仪仪表的输入信信号应为E型型热电偶在热热端为1600、冷端为255时的热电势势EE(160，225)。而显显示仪表外实实际配用的是是K型热电偶，其其输入的热电电势EE(160，225)，实际际应为K型热电偶在在热端为tx、冷端为255时的热电势势EK(tx，25)，即即EK(tx，25)= EE(160，225)。EE(160，225)= EEE(160，00) - EE