化工仪表及自动化课后习题答案

化工仪表及自动化课后习题答案

第1章自动控制系统基本概念P16

1.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，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间

的差别创造条件。

2、一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的

内容。

3、闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高，响应时

间缩短，适合于对系统的响应时间，稳定性要求高的系统.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。

4、自动控制系统主要由哪些环节组成？

自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控

对象等四个环节组成。

5、p7

6、PI-307表示就地安装的压力指示仪表,工段号为3,仪表序号为07；

TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表;

工段号为3,仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示

记录功能的流量控制仪表；工段号为3,仪表序号为05。

7、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。

8、测量变送装置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，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比

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送来的信

号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。

9、被控对象（对象）一一自动控制系统中，工艺参数需要控制的生

产过程、生产设备或机器。被控变量一一被控对象内要求保持设定值的

工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制

系统等。

给定值（或设定值或期望值）一一人们希望控制系统实现的目标，即

被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。

操纵变量（调节变量）一一对被控变量具有较强的直接影响且便于调

节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。

操纵介质（操纵剂）一一用来实现控制作用的物料。

10、控制作用是对在受到外界干扰影响偏离正常状态后，回复到规定

范围内。干扰作用是引起被控变量偏离给定值，除操控变量以外的各种因

素。

11、该温度控制系统的方块图

题解1-11图反应器温度控制系统方块图

其中，被控对象：反应器；被控变量：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，

冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。

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系统。

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，负半周大的波形，此波形放大后，

使其输出端正、负半周波形之间的差异减小，从而减小了放大电路输出波

形的非线性失真。

13、在11题

15、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

16、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。I

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。

17、阶跃作用：在某一瞬间tO,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。

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？

21、最大偏差A=950?900=50(℃)；

超调量B=950?908=42(℃)；

由于B?=918?908=10(℃),所以，衰减比n=B:B?=42:90=4.2；

余差C=908?900=8℃；

振荡周期T=45?9=36(min)；

过渡时间

ts=47mino

因为A=50℃<80℃,C=8℃<10℃,所以，该控制系统能满足题中

所给的工艺要求。

22、解蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。

题解1-20图蒸汽加热器温度控制系统方块图

其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；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、温度的变化；环境温度的变化等。

该系统的过渡过程品质指标：

最大偏差A=81.5?81=0.5(℃)；

由于B=81.5?80.7=0.8(℃),B?=80.9?80.7=0.2(℃),所以，衰减比

n=B:B?=0.8:0.2=4；

余差C=80.7?8)=?0.3(℃)o

第2章被控对象的数学模型P33

1、对象特性就是的对象的输出一一输入关系。

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

自动化装置组成自动控制系统时，首先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(也称控制

器参数的工程整定），使系统正常地运行。被控对象的特性对自动控制系统

的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。

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。稳态数学模型描述的是对象在稳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。稳态与

动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学模型是在稳态数学模

型基础上的发展，稳态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型

的一个特例。

4、机理建模法、实验建模法。

5、对象或生产过程的内部机理。

7、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。

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。

8、解：放大系数K、时间常数T和滞后时间？

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（引起输出变化的）输入变化量之比，即

K?输出量的变化量输入量的变化量

对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出

量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是

对象的灵敏度。

时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态

值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持

初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。

时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间

也越大

对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称

为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现

象。滞后现象用滞后时间?表示。

对象的滞后时间？，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制

不及时。

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。

11、已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性,其时间常数为5min,

放大系数为10,纯滞后时间为2min,试写出描述该对象特性的一阶微分

方程式。

解该对象特性的一阶微分方程为

5

12、

dy(t?2)?y(t?2)?10x(t)dt

题2-3图RC电路

解RC电路的微分方程为

T

当ei=5V时,微分方程的解为deo?eo?eidt

eo=5(l?e?t/T)=5(l?e?t/10)(V)

(该系统的时间常数T=RC=5?103?2000?10?6=10s)

当t=T时，eo=5(l?e?T/T)=5(l?e?l)=3.16V；

当t=2T时，eo=5(l?e?2T/T)=5(l?e?2)=4.32V；

当时，

t=3Teo=5(l?e?3T/T)=5(l?e?3)=4.75Vo

题解2-3图RC电路的阶跃响应曲线

13.解这是一个积分对象，则

?h?Q110.1Qdt?dt?t?0.2t(m)1

A?A?0.5

题解2-13图水槽液位?h的变化曲线

14、解：(输入)燃料变化量

t?0;?0,x(t)???0.5(t/h)?50/6(kg/min),t?0

由题图知，该系统属于一阶系统，输出量(温度)的变化量y(t)相对于输

入(燃料)变化量x(t)的关系(方程)为

Tdy(t)?y(t)?Kx(t)dt

当x(t)=A=50/6(kg/min)=const.时，方程的解为

y(t)=KA(l?e?t/T)℃

由题图知，y(?)=KA=150?120=30℃,!UlJ

K=30/A=30/(50/6)=3.6(℃/(kg/min))

首先不考虑延迟，y(t)的变化从tO=2min开始，到tl=8min时,实际变

化时间t=6min,由题图知

y(t)=y(6)=30(l?e?6/T)=145?120=25(℃)

由此解出T=3.35(min)

所以

y(t)=30(l?e?t/3.35)℃

若考虑滞后时间？=2min,则

t?2min;?0,y??t????(t?2)/3.35),t?2min?y(t??)?30(l?e

微分方程为

3.35

dy?(t?2)

?y?(t?2)?3.6x(t)

dt

系统的特性参数是系统的固有特性，不会随输入信号的变化而变化,

因此，前面求解过程中所确定的K和T的值是不变的。所以，当燃料变化

量x(t)=A=l时;温度变化量的函数表达式为

y?(t)=y(t??)=3.6(l?e?(t?2)/3.35)℃

第3章检测仪表与传感器P101

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。2.p34

3.

4.仪表的精确度等级是将仪表允许的相对百分误差的“土”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划分成若干等级的。5、⑴校验数

据处理：

由以上数据处理表知，最大绝对误差：+6℃；⑵仪表误差：？max

??

6

?100%??0.6%,仪表的精度等级应定为1.0级；1000

⑶仪表的基本误差：？m=1000?（?1.0%）=?10℃,该温度仪表不符合工艺

上的误差要求。6、解（1）校验数据处理：

由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%；

（2）仪表误差：?max??0.005?100%??0.5%；10

但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%,所以该压力表不符合1.0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；

表压力=绝对压力?大气压力；

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；活塞式压力计一：它是根

据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测

量的。

10.主要的弹性元件有：1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lOOOMPa的压力；2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；3波纹管：这种弹性元件易变

形，常用于微压与低压的测量。

11.解：（1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，

使其自由端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能

反映被测压力p的大小。

（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，表盘。

（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位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动

指针在表盘上指示出当前的压力值。

12.

13.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。

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0.2级、可

以测量压力和差压。

20.解压力表允许的最大绝对误差为

?max=1.0MPa?1.0%=0.01MPa

在校验点0.5MPa处，绝对误差为

?=0.5?0.508=?0.008（MPa）

该校验点的测量误差为

??

故该校验点不符合1.0级精度。?0.008?100%??1.57%0.508

21.解（1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也

考虑到被测对象可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?m由其精度等级和量程决定，在整个仪

表测量范围内其大小是一定的，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。

22.解用0~1.6MPa、精度为1.0级的压力表来进行测量的基本误差

?lmax=1.6MPa?1.0%=0.016MPa>0.01MPa（允许值）

该表不符合工艺上的误差要求。

用0~1.0MPa、精度为1.0级的压力表来进行测量的基本误差

?2max=1.0MPa?1.0%=0.01MPa>0.01MPa(允许值)

该表符合工艺上的误差要求。

23.解空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限

工作压力上限设所选压力表量程为则

pmin=l.lMPa,pmax=1.6MPaop,

根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有

pmax?pmin3p41?p3??p?44pmax??1.6?2.13(MPa)

33p?3pmin?3?l.l?3,3(MPa)

根据压力表量程系列(附表1),可选YX-150型、测量范围为0~2.5MPa

的电接点压力表。

根据测量误差要求，测量的最大误差为

?max?l.l?5%=0.055(MPa)

则所选压力表的最大引用误差应满足

?max?0.055?100%?2.2%2.5?0

要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。

24.解合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p,

则

p?5?14?23.3(MPa)3

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

?max?0.4?100%?1.6%25

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

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）

?max???m0.020?100%???100%??1.25%PF7S1.6

所以，这台仪表L5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?l/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,pl=0.65+0.101325=0.751325（MPa）；

T0=293K,

Tl=273+40=313(K)；?0=1.293kg/Nm3；?l=1.977kg/Nm3,Q0=50L/so

则

Ql?0?pl?T0.293?0.751325?293?Q0??50?105(L/s)?l?p0?T11.977?0.101325?

313

38.解由题知?t=7920kg/m3,?f=0.831kg/L=831kg/m3,?W=1000

/m3,Q0=10L/min

测苯的流量的修正系数为

KQ??t??w?f?t??f?w?(7920?1000)?831?0.9(7920?831)?1000

Qr=Q0/KQ=10/0.9?ll.l(L/min)

所以，苯的流量测量范围为。〜ll.lL/min。

当转子材料改为铝时，？r=2750kg/m3,此时测水的流量的修正系数

为

KrQ??t??w??r??w(7920?1000)?2275071000

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KfQ??r??w?f?r??f?w?(2750?1000)?831?0.87

(2750?831)?1000

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/mino

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Y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

N0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：=o这就是一般的“无迁移”的情况。当H=。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•，o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△

p>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△p<0,则为''负迁移”。

52、解：差压液位计正压室压力

pl=?ghl+?gH+pO

负压室压力

p2=?gh2+pO

正、负压室的压差

?p=pl?p2=?gH?（h2?hl）?g

H=0时,?p=?（h2?hl）?go

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?hl）?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、TO）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,TO）或EAB（t,tO）.

（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T0W0C,

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)=1.000mVo根据中间温度定律，

E(t,0)=E(t,25)+E(25,0)=20+1.0=21.000mV

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?36,18mVo

63.解认为换热器内的温度为430℃不对。

设换热器内的温度为3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银格-铜银(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

反查银格-铜银热电偶分度表，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160C时的

电势为10501HV,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

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：Ptl0、Ptl00、Cu50、Cul00。R0分别为：10Q、100Q、

50Q、100Q。

67.解查CulOO的分度表，140℃对应电阻为159.96?,而该电阻值

实际为PtIOO拓电阻测温时的电阻值，反查PtIOO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?o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?o

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℃o

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

p?f(e)?f(z?x)

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：

????x?x?maxmin

式中e------输入变化量；

p------相应的输出变化量；？e?p??100%?pmax?pmin?

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?xminplOOO?Op

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；Tl~8时，成为纯比例控制。

9.解控制器的放大倍数

KP=1/?=1/1OO%=1

控制器的积分时间Tl=2min,稳态输出pO=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

?p?KPA?KPlAt?l?0.2??0.2?5?0.7(mA)TI2

p=p0+?p=5+0.7=5.7(mA)所以，经历时间5min后，控制器的输出为

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

?lde??p?KP?e?edt?TD???Tldt??

其中，e-输入变化量；p-相应的输出变化量；KP一放大倍数；TI—

称为积分时间；TD一微分时间。

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，控制不及时飞无余差（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pl51

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I,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,、、、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：

Q?l??f??Qmax?L?

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I/L是控制阀某一开度行程I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（）

Q?1?1?R?1I?;

QmaxR?L???

??1??等百分比（对数）流量特性Q?R?L?；Qmax?l?

?Q?d?Qmax??抛物线流量特性??K???dlL?Qmax?2；

2

?快开流量特性Q?1?1?（R?1）I?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

R?

8.解串联管道中的阻力比s为QmaxQmin在串、并联管道中，由

于分压和分流作用，可调范围都会变小。

s?控制阀全开时阀上的压差即系统中最大流量时动系统总压差力损

失总和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。5=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?并联管道控制阀全开时流量Qlmax总管最大流量Qmax

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=l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pl68

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