何道清仪表与自动化课后答案

第页 《仪表及自动化》第二版第1章自动限制系统基本概念1-3自动限制系统主要由哪些环节组成？解自动限制系统主要由检测变送器,限制器,执行器和被控对象等四个环节组成。1-5题1-5图为某列管式蒸汽加热器限制流程图。试分别说明图中307,303,305所代表的意义。题1-5图加热器限制流程图解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；303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度限制仪表；工段号为3，仪表序号为03；305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量限制仪表；工段号为3，仪表序号为05。1-7在自动限制系统中，测量变送装置,限制器,执行器各起什么作用？解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）送往限制器；限制器接受测量变送器送来的信号，及工艺上须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）发送出去执行器即限制阀，它能自动地依据限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。1-8．试分别说明什么是被控对象,被控变量,给定值,操纵变量,操纵介质？解：被控对象（对象）——自动限制系统中，工艺参数须要限制的生产过程,生产设备或机器。被控变量——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，如温度限制系统，压力制系统等。给定值（或设定值或期望值）——人们盼望限制系统实现的目标，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（调整变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调整（操纵）的变量。或实现限制作用的变量。操纵介质(操纵剂)——用来实现限制作用的物料。1-11题11图所示为一反应器温度限制系统示意图。A,B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来限制反应器内的温度不变。试画出该温度限制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象,被控变量,操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？并说明该温度限制系统是一个具有负反馈的闭环系统。题1-11图反应器温度限制系统解该温度限制系统的方块图题解1-11图反应器温度限制系统方块图其中，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上升时，其测量值及给定值比较，获得偏差信号，经温度限制器运算处理后，输出限制信号去驱动限制阀，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。所以该温度限制系统是一个具有负反馈的闭环限制系统。1-12题1-11图所示的温度限制系统中，假如由于进料温度上升使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该限制系统的工作状况，此时系统是如何通过限制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？解：当反应器内的温度超过给定值（即上升）时，温度测量元件测出温度值及给定值比较，温度限制器将比较的偏差经过限制运算后，输出限制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克服干扰作用对被控变量影响。1-13按给定值形式不同，自动限制系统可分哪几类？解：按给定值形式不同，自动限制系统可以分为以下三类：·定值限制系统——给定值恒定的限制系统。·随动限制系统（自动跟踪系统）——给定值随机变化的系统。·程序限制系统——给定值按肯定时间程序变化的系统。1-19某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)℃。考虑安全因素，限制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值限制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差,超调量,衰减比,余差,振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的1%（即900（1%）=9℃）的时间），并回答该限制系统能否满意题中所给的工艺要求？题1-19图温度限制系统过渡过程曲线解最大偏差950900=50（℃）；超调量950908=42（℃）；由于B=918908=10（℃），所以，衰减比=42:10=4.2；余差908900=8℃；振荡周期459=36()；过渡时间47。因为50℃<80℃，8℃<10℃，所以，该限制系统能满意题中所给的工艺要求。1-20题20(a)图是蒸汽加热器的温度限制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象,被控变量,操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产须要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b)图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差,衰减比和余差（提示：该系统为随动限制系统，新的给定值为81℃）。题1-20图蒸汽加热器温度限制解蒸汽加热器温度限制系统的方块图如下图所示。题解1-20图蒸汽加热器温度限制系统方块图其中：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81.581=0.5（℃）；由于81.580.7=0.8（℃），B=80.980.7=0.2（℃），所以，衰减比=0.8:0.2=4；余差80.781=0.3（℃）。第2章被控对象的数学模型2-1什么是对象特性？为什么要探讨对象特性？解对象特性就是的对象的输出-输入关系。探讨对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量及输出量之间的关系。当采纳自动扮装置组成自动限制系统时，首先也必需深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能依据工艺对限制质量的要求，设计合理的限制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及限制器。在限制系统投入运行时，也要依据对象特性选择合适的限制器参数(也称限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限制系统的限制质量的影响很大，所以必需对其深入探讨。2-2何为对象的数学模型？静态数学模型及动态数学模型有什么区分？解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及输出量之间的关系；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状况。稳态及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。2-8反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？解：放大系数K,时间常数T和滞后时间t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及（引起输出变化的）输入变化量之比，即对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有肯定变化时，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，被控变量假如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，被控变量却不能马上而快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t表示。对象的滞后时间t，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，限制不及时。2-11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5，放大系数为10，纯滞后时间为2，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2-12如题2-12图所示的电路中，已知R＝5k，C＝2000F。试画出突然由0阶跃变化到5V时的变化曲线，并计算出t＝T,t＝2T,t＝3T时的值。题2-12图电路解电路的微分方程为当5V时，微分方程的解为5(1e)=5(1e10)(V)（该系统的时间常数51032000106=10s）当时，5(1e)=5(1e1)=3.16V；当2T时，5(1e2)=5(1e2)=4.32V；当3T时，5(1e3)=5(1e3)=4.75V。题解2-12图电路的阶跃响应曲线2-13已知一个简单水槽，其截面积为0.5m2，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。假如在稳定的状况下，输入流量突然在原来的基础上增加了0.1m3，试画出水槽液位h的变化曲线。解这是一个积分对象，则(m)题解2-13图水槽液位h的变化曲线2-14为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t0=0）突然将燃料气流量从2.5增加到3.0，重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如题2-14图所示。假定该对象为一阶对象，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式（分别以温度变化量及燃料量变化量为输出量及输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。题2-14图重油预热炉的解（输入）燃料变化量由题图知,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)为当x(t)50/6().时，方程的解为y(t)(1e)℃由题图知，y()150120=30℃,则3030/(50/6)=3.6(℃/())首先不考虑延迟，y(t)的变化从t0=2开始，到t1=8时，实际变化时间6，由题图知y(t)(6)=30(1e6)=145120=25（℃）由此解出3.35()所以y(t)=30(1e3.35)℃若考虑滞后时间=2，则微分方程为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)1时，温度变化量的函数表达式为y(t)(t)=3.6(1e(t2)/3.35)℃第3章检测仪表及传感器3-1什么叫测量过程？解测量过程就是将被测参数及其相应的测量单位进行比较的过程3-5某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：标准表读数/℃02004006007008009001000被校表读数/℃02014026047068059031001(1)求出该温度仪表的最大肯定误差值；(2)确定该温度仪表的精度等级；(3)假如工艺上允许的最大肯定误差为8C，问该温度仪表是否符合要求？解(1)校验数据处理：标准表读数/℃02004006007008009001000被校表读数/℃02014026047068059031001肯定误差/℃0+1+2+4+6+5+3+1由以上数据处理表知，最大肯定误差：+6℃；(2)仪表误差：，仪表的精度等级应定为1.0级；(3)仪表的基本误差：1000(1.0%)=10℃,该温度仪表不符合工艺上的误差要求。3-6假如有一台压力表，其测量范围为0~10，经校验得出下列数据：标准表读数0246810被校表正行程读数01.983.965.947.979.99被校表反行程读数02.024.036.068.0310.01(1)求出该压力表的变差；(2)问该压力表是否符合1．0级精度？解（1）校验数据处理：标准表读数0246810被校表正行程读数01983.965.947.979.99被校表反行程读数02.024.036.068.0310.01压力表的变差00.40.71.20.60.2被校表正,行程读数平均值02.003.9956.008.0010.00仪表肯定误差/00.000.0050.000.000.00由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%；（2）仪表误差：；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。3-7．什么叫压力？表压力,肯定压力,负压力(真空度)之间有何关系？解（1）工程上的压力是物理上的压强，即（压强）。（2）肯定压力是指物体所受的实际压力；表压力=肯定压力大气压力；负压力（真空度）=大气压力肯定压力3-10．作为感受压力的弹性元件有哪几种？解弹簧管式弹性元件,薄膜式弹性元件（有分膜片式和膜盒式两种）,水纹管式弹性元件。3-11．弹簧管压力计的测压原理是什么？试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。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。3-14电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？解见教材第3章3.2.5节。当差动电容传感器的中间弹性膜片两边压力不等时，膜片变形，膜片两边电容器的电容量变化（不等），利用变压器电桥将电容量的变化转换为电桥输出电压的变化，从而反映膜片两边压力的差异（即压差）。其特点：输出信号及压差成正比；应用范围广，可用于表压,差压,流量,液位等的测量。3-15某压力表的测量范围为0～1，精度等级为1.0级，试问此压力表允许的最大肯定误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5时，标准压力计上读数为0.508，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？解压力表允许的最大肯定误差为1.01.00.01在校验点0.5处，肯定误差为=0.50.508=0.008()该校验点的测量误差为故该校验点不符合1.0级精度。3-16．为什么测量仪表的测量范围要依据测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？解（1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内牢靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异样超压状况，对仪表的量程选择必需留有足够的余地，但还必需考虑实际运用时的测量误差，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确定，在整个仪表测量范围内其大小是肯定的，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。3-17假如某反应器最大压力为0.8，允许最大肯定误差为0.01。现用一台测量范围为0~1.6，精度为l.0级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采纳一台测量范围为0~1.0，精度为1.0级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。解用0~1.6,精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差11.61.00.016>0.01(允许值)该表不符合工艺上的误差要求。用0~1.0,精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差21.01.00.01>0.01(允许值)该表符合工艺上的误差要求。3-18某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.1~1.6，工艺要求就地视察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的5％，试选择一台合适的压力计(类型,测量范围,精度等级)，并说明其理由。解空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限1.1，工作压力上限1.6。设所选压力表量程为p，则依据最大,最小工作压力及选用压力表量程关系，有依据压力表量程系列（附表1），可选150型,测量范围为0~2.5的电接点压力表。依据测量误差要求，测量的最大误差为1.150.055()则所选压力表的最大引用误差应满意要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。3-19某合成氨厂合成塔压力限制指标为14，要求误差不超过0.4，试选用一台就地指示的压力表(给出型号,测量范围,精度等级)。解合成塔限制压力14为高压，设所选压力表的量程为p，则依据压力表量程系列（附表1），可选150型,测量范围为0~25的电接点压力表。依据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满意要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。3-20现有一台测量范围为0~1.6，精度为1.5级的一般弹簧管压力表，校验后，其结果为：被校表读数0．00．40．81．21．6标准表上行程读数0．0000．3850．7901．2101．595标准表下行程读数0．0000．4050．8101．2151．595试问这台表合格否？它能否用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.8~1.0，测量的肯定误差不允许大于0.05）？解压力表的校验表3-1压力表的校验数据及其数据处理结果被校表读数0.00.40.81.21.6最大误差标准表上行程读数0.0000.3850.7901.2101.595标准表下行程读数0.0000.4050.8101.2151.595升降变差0.0000.0200.0200.0050.0000.020标准表上,下行程读数平均值0.0000.3950.8001.21251.595肯定误差0.0000.0050.000-0.0130.005-0.013仪表的最大引用误差（从肯定误差和升降变差中选取肯定值最大者做为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1.01.62/3；0.81.61/3；最大误差1.61.50.0240.05。所以这台仪表能用于该空气贮罐的压力测量。3-24．什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差？解：流体在有节流装置的管道中流淌时，在节流装置前后的管壁，流体的静压力产生差异的现象，称为节流现象。流体经节流装置时，由于节流装置前后流体截面的该变，造成流体流速的改变，从而产生节流装置前后的压力差。3-28为什么说转子流量计是定压式流量计？解：转子流量计测量流体流量时，转子前后流体压力的压差p为一常数，即.（恒量）3-32用转子流量计来测气压为0.65,温度为40℃的2气体的流量时，若已知流量计读数为50，求2的真实流量（已知2在标准状态时的密度为1.977／m3）。解由题知：p0=0.101325，p1=0.65+0.101325=0.751325()；T0=293K，T1=273+40=313（K）；0=1.2933；1=1.9773，Q0=50。则3-33用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10，转子用密度为7920／m3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831／L苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750／m3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？解由题知7920／m3，0.831／831／m3，1000／m3，Q0=10测苯的流量的修正系数为010/0.911.1()所以，苯的流量测量范围为0～11.1。当转子材料改为铝时，2750／m3，此时测水的流量的修正系数为0010/2=5()所以，此时测水的流量的测量范围为0～5测苯的流量的修正系数为05/0.87=5.75（）所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75。3-36涡轮番量计的工作原理及特点是什么？解：（1）涡轮番量计的工作原理：流体在管道中流淌时使叶轮旋转，转速及流体的流速成线性关系，磁电感应转换器将叶轮的转速转换成相应的电脉冲信号，反映流体流速的大小。流速及管道截面的乘积就是流体的流量。（2）涡轮番量计的特点：安装便利,测量精度高,可耐高压,反应快,便于远传,不受干扰,简单磨损等特点。3-37电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？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淌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，感应电动势及流量成正比。电磁流量计只能用来测量导电液体的流量。3-46什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？解（1）当被测容器的液位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，3-48测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝的状况)时，常常在负压管上装有冷凝罐(见题3-19图)，问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考虑？题3-19图高温液体的液位测量解：差压液位计正压室压力p1=1+0负压室压力p2=2+p0正,负压室的压差1p2=(h2h1)g0时，(h2h1)g。这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使0时，0，该差压变送器测液位时须要零点迁移，迁移量为(h2h1)g3-54什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，则回路中有肯定大小电流，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（）效应。回路中的电势称为热动势，用(T，T0)或(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。3-22．常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要运用补偿导线？并说明运用补偿导线时要留意哪几点？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及测量电路相连接。运用补偿导线时要留意：在肯定的温度范围内，补偿导线及配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延长电极及热电偶两个接点温度相等。3-56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。3-57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。3-58用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20，冷端（室温）为25C，求设备的温度？假如改用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)=20，查K型热电偶分度表，E(25，0)=1.000。依据中间温度定律，E(t，0)=E(t，25)+E(25，0)=20+1.0=21.000反查K型热电偶分度表，得508.4℃若改用E型热电偶来测次设备温度，同样，依据中间温度定律，测得热电势为(508.4，25)=(508.4，0)(25，0)=37678.61496.5=36182.1V36.18。3-59现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的温度为430℃对不对？为什么？正确值为多少度？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)，依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=30744V反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度422.5℃3-60．试述热电阻测温原理？常用测温热电阻有哪几种？热电阻的分度号主要有几种？相应的R0各为多少？解：（1）热电阻测温原理：电阻－温度效应，即大多数金属导体的电阻值随温度而变化的现象。（2）常用测温热电阻有：铂热电阻和铜热电阻。（3）铂热电阻的分度号主要有：100，（R0=100）；50，（R0=50）；1000，（R0=1000）；等铜热电阻的分度号主要有：100，（R0=100）；50，（R0=50）；等3-62用分度号为00铂电阻测温，在计算时错用了00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？解查00的分度表，140℃对应电阻为159.96，而该电阻值实际为00铂电阻测温时的电阻值，反查00的分度表，得实际温度为157℃3-63用分度号为50,百度电阻比W(100)1000=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50,百度电阻比W(100)=1.42的铜热电阻，其R0=50，R100=501.42=71。则该铜热电阻测温的灵敏度k为被测温度为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92，则对应的环境温度为(9250)/0.21=200℃。第4章显示仪表4-10对于标尺始端为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？输入信号为多少？若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示多少度？输入信号为多少？解当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时，应指示0℃；输入信号为E(0，25)=E(25，0)。若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示0℃；输入信号为E(0，0)=0。4-12如题4-12图所示热电偶测温系统，热电偶的型号为K，请回答：(1)这是工业上用的哪种温度计？(2)显示仪表应采纳哪种仪表？该仪表的输入信号是多少？应指示多少温度？题4-12图热电偶测温系统图解（1）这是工业上用的热电偶温度计。（2）显示仪表应采纳101型动圈式显示仪表或电子电位差计显示仪表；仪表的输入信号是K型热电偶的热电势E(600，25)，E(600，25)=E(600，0)E(25，0)=249021000=23902（V）；指示温度应为600℃（显示仪表内具有冷端温度自动补偿，能直接显示被测温度）。4-13测温系统如题4-13图所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶为K，但错用及E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度为多少度？（室温为25℃）题4-13图测温系统图解这是工业上用的热电偶温度计。当及E型热电偶配套的显示仪表指示为160℃,室温为25℃时，显示仪表的输入信号应为E型热电偶在热端为160℃,冷端为25℃时的热电势(160，25)。而显示仪表外实际配用的是K型热电偶，其输入的热电势(160，25)，实际应为K型热电偶在热端为℃,冷端为25℃时的热电势(，25)，即(，25)=(160，25)。(160，25)=(160，0)(25，0)查E型热电偶分度表(160，0)=10501V，(25，0)=1496.5V，则(160，25)=105011496.5=9004.5V(，0)(，25)+(25，0)=9004.5+1000(查K型热电偶分度表)=10004.5（V）反查K型热电偶分度表，得246.4℃4-14试述电子自动平衡电桥的工作原理？当热电阻短路,断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？解电子自动平衡电桥的原理电路如下图所示。题解4-14图电子平衡电桥测温原理图当被测温度为测量下限时，有最小值及0，滑动触点应在的左端，此时电桥的平衡条件是R3（0）2R4（1）当被测温度上升后，热电阻阻值增加，滑动触点应右移动才能使电桥平衡，此时电桥的平衡条件是R3（0+r1）2(R4+r1)（2）用式（1）减式（2），则得R3r1R3=R2r1即（3）从上式可以看出：滑动触点B的位置就可以反映热电阻阻值的变化，亦即反映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移及热电阻的增量呈线性关系。当热电阻短路时，0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至始端；当热电阻断路时，，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。4-19有一分度号为00的热电阻，接在配分度号为00的自动平衡电桥上，指针读数为143℃，问所测实际温度是多少解温度为143℃时，分度号为00的热电阻阻值（查00分度表）为154.70。而自动平衡电桥上实际接的是分度号为00的热电阻，利用154.70查00分度表，得所测实际温度为128℃。4-20有一配K分度号热电偶的电子电位差计，在测温过程中错配了E分度号的热电偶，此时仪表指示196℃，问所测的实际温度是多少此时仪表外壳为28℃。解电子电位差计指示196℃，输入信号为(196，28)=E(196，0)E(28，0)=7.9771.122=6.855()，而该热电势实际是由E型热电偶供应的。设所测的实际温度为t，则有(t，0)=(t，28)(28，0)=(196，28)+(28，0)=6.855+1.679=8.534()查E型热电偶分度表，得所测的实际温度为132.2℃第5章自动限制仪表5-1什么是限制器的限制规律？限制器有哪些基本限制规律？解限制器的限制规律是指限制器的输出信号p及输入信号e之间的关系，即限制器的基本限制规律有：位式限制（其中以双位限制比较常用）；比例限制(P)；积分限制(I)；微分限制(D)。5-4何为比例限制器的比例度？一台—Ⅱ型液位比例限制器，其液位的测量范围为0~1.2m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例限制器的输出相应从5增大到7，试求限制器的比例度及放大系数。解比例限制器的比例度就是指限制器的输入变化相对值及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；——输入的最大变化量，即仪表的量程；——输出的最大变化量，即限制器输出的工作范围。依据题给条件，该限制器的比例度为对于单元组合仪表，其放大系数为1/=1/83.3120%5-5一台—Ⅲ型温度比例限制器，测量的全量程为0～1000℃，当指示值变化100℃，限制器比例度为80％，求相应的限制器输出将变化多少？解限制器的输出变化量1.6/802()5-9一台具有比例积分限制规律的—Ⅱ型限制器，其比例度为200％，稳态时输出为5。在某瞬间，输入突然变化了0.5，经过30s后，输出由5变为6，试问该限制器的积分时间为多少？解限制器的放大倍数1/=1/2000.5限制器的输入变化量为0.5；限制器的输出变化量为65=1()，经验时间30s。由得5-10某台—Ⅲ型比例积分限制器，比例度为100％，积分时间为2。稳态时，输出为5。某瞬间，输入突然增加了0.2，试问经过5后，输出将由5变化到多少？解限制器的放大倍数1/=1/1001限制器的积分时间2，稳态输出p0=5；限制器的输入变化量为0.2。经验时间5。则输出变化量所以，经验时间5后，限制器的输出为0+5+0.7=5.7()5-12试写出比例积分微分（）三作用限制规律的数学表达式。解限制器的限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；—放大倍数；—称为积分时间；—微分时间。5-13试分析比例,积分,微分限制规律各自的特点。解比例限制规律的特点是反应快，限制及时；存在余差(有差限制)积分限制规律的特点是限制动作缓慢，限制不及时；无余差(无差限制)微分限制规律的特点是限制响应快，故有超前限制之称；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，因而限制结果不能消退偏差，所以不能单独运用这种限制器，它常及比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分限制器。5-26请写出下面对应的80的指令解（1）00000（2）000000000300002000010000500004000030000600002-010000000101000第6章执行器6-1气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？解气动执行器由执行机构和限制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它依据输入限制信号的大小产生相应的推力F和直线位移l，推动限制机构动作，所以它是将限制信号的大小转换为阀杆位移的装置；限制机构是执行器的限制部分，它直接及操纵介质接触，限制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。6-4试分别说明什么叫限制阀的流量特性和志向流量特性？常用的限制阀志向流量特性有哪些？解限制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量及阀门的相对开度（相对位移）间的关系：式中，相对流量是限制阀某一开度时流量Q及全开时流量之比；相对开度是限制阀某一开度行程l及全开行程L之比。在不考虑限制阀前后压差变化时得到的流量特性称为志向流量特性。主要有：直线流量特性；等百分比（对数）流量特性；抛物线流量特性；快开流量特性等四种。6-7什么叫限制阀的可调范围？在串,并联管道中可调范围为什么会变化？解限制阀的可调范围（可调比）是其所能限制的最大流量及最小流量的比值，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。6-8已知阀的最大流量＝50m3，可调范围R＝30。（1）计算其最小流量，并说明是否就是阀的泄漏量。（2）若阀的流量特性为直线流量特性，问在志向状况下阀的相对行程为0.2及0.8时的流量值Q。（3）若阀的流量特性为等百分比流量特性，问在志向状况下阀的相对行程为0.2及0.8时的流量值Q。解（1）由，得。不是阀的泄漏量，而是比泄漏量大的可以限制的最小流量。（2）由直线流量特性，得，0.2时，0.8时，（3）由等百分比流量特性，得，0.2时，0.8时，6-9阀的志向流量特性分别为直线流量特性和等百分比流量特性，试求出在志向状况下，相对行程分别为＝0.2和0.8时的两种阀的相对放大系数。（阀的可调比30）解当阀的志向流量特性为直线流量特性时，由，得，即及的值无关，所以，对于相对行程分别为＝0.2和0.8时的直线流量特性阀，均有K相对=1111/30=0.967。当阀的志向流量特性为等百分比流量特性时，由，得，则当＝0.2时，当＝0.8时，6-10已知阀的最大流量＝100m3，可调范围R＝30。试分别计算在志向状况下阀的相对行程为0.1,0.2,0.8,0.9时的流量值Q，并比较不同志向流量特性的限制阀在小开度及大开度时的流量变化状况。(1)直线流量特性。(2)等百分比流量特性。解(1)依据直线流量特性，相对流量及相对行程之间的关系：分别在公式中代入数据＝100m3，R＝30，0.1,0.2,0.8,0.9等数据，可计算出在相对行程为0.1,0.2,0.8,0.9时的流量值：Q0.1＝13m3Q0.2＝22.67m3Q0.8＝80.67m3Q0.9＝90.33m3。(2)依据等百分比流量特性的相对流量及相对行程之间的关系：分别代入上述数据，可得：Q0.1＝4.68m3Q0.2＝6.58m3Q0.8＝50.65m3Q0.9＝71.17m3。由上述数据可以算得，对于直线流量特性的限制阀，相对行程由10％变化到20％时，流量变化的相对值为：相对行程由80％变化到90％时，流量变化的相对值为：由此可见，对于直线流量特性的限制阀，在小开度时，行程变化了10％，流量就在原有基础上增加了74.4％，限制作用很强，简单使系统产生振荡；在大开度时(80％处)；行程同样变化了10％，流量只在原有基础上增加了12％，限制作用很弱，限制不够及时,有力，这是直线流量特性限制阀的一个缺陷。对于等百分比流量特性的限制阀，相对行程由10％变为20％时，流量变化的相对值为：相对行程由80％变到90％时，流量变化的相对值为：故对于等百分比特性限制阀，不管是小开度或大开度时，行程同样变化了10％，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，故取名为等百分比流量特性。具有这种特性的限制阀，在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，限制比较平稳缓和；大开度时，流量变化大，限制灵敏有效，这是它的一个优点。6-11什么是串联管道中的阻力比s？s值的变化为什么会使志向流量特性发生畸变？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，限制阀前后压差变化，进而影响到流量的变化，即志向流量特性发生畸变。s=1时，管道阻力损失为零，系统总压差全降在阀上，工作特性及志向特性一样。随着s值的减小，直线特性慢慢趋近于快开特性，等百分比特性慢慢接近于直线特性。所以，在实际运用中，一般盼望s值不低于0.3，常选0.3~0.5。s0.6时，及志向流量特性相差无几。6-12什么是并联管道中的分流比x？试说明x值对限制阀流量特性的影响？解并联管道中的分流比x为x值变化时，限制阀的流量变化，限制阀所限制的流量及总管的流量产生差异，因此，其志向流量特性将会发生畸变。1时，限制阀的流量就是总管的流量，工作特性及志向特性一样。随着x值的减小，旁路阀渐渐打开，虽然限制阀的流量特性变化不大，但可调范围却降低了。6-13已知某限制阀串联在管道中，系统总压差为100，阻力比为0.5。阀全开时流过水的最大流量为60m3。阀的志向可调范围30，假设流淌状态为非堵塞流。问该阀的额定(最大)流量系数及实际的可调范围为多少？解由，得限制阀全开时阀上压差p1=p1000.5=50，则实际的可调范围为6-14某台限制阀的额定流量系数＝100。当阀前后压差为200时，其两种流体密度分别为1.2g／3和0.8g／3，流淌状态均为非堵塞流时，问所能通过的最大流量各是多少？解由，得当=1.2g／3时，当=0.8g／3时，6-15对于一台可调范围R＝30的限制阀，已知其最大流量系数为＝100，流体密度为13。阀由全关到全开时，由于串联管道的影响，使阀两端的压差由l00降为60，假如不考虑阀的泄漏量的影响，试计算系统的阻力比（或分压比）s，并说明串联管道对可调范围的影响（假设被控流体为非堵塞的液体）。解由于阻力比s等于限制阀全开时阀上压差及系统总压差之比，在不考虑阀的泄漏量的影响时，阀全关时阀两端的压差就可视为系统总压差，故本系统总压差为l00，阀全开时两端压差为60，所以阻力比：由于该阀的＝100，R＝30，在志向状况下，阀两端压差维持为l00，流体密度为13，则最大流量＝l00m3，最小流量＝／R＝100/30＝3.33m3。对于非堵塞流的液体，串联管道时，由于压差由l00降为60，故这时通过阀的最大流量将不再是l00m3，而是这时的可调范围；（或）由上可见，串联管道时，会使限制阀的流量特性发生畸变，其可调范围会有所降低。假如s值很低，会使可调范围大大降低，以至影响限制阀的特性，使之不能发挥应有的限制作用。当然，从节能的观点来看，s值大，说明耗在阀上的压降大，能量损失大，这是不利的一面。6-16某台限制阀的流量系数＝200。当阀前后压差为1.2，流体密度为0.813，流淌状态为非堵塞流时，问所能通过的最大流量为多少？假如压差变为0.2时，所能通过的最大流量为多少？解由公式得当压差变为0.2时，所能通过的最大流量为：上述结果表明，提高限制阀两端的压差时，对于同一尺寸的限制阀，会使所能通过的最大流量增加。换句话说，在工艺上要求的最大流量已经确定的状况下，增加阀两端的压差，可以减小所选择限制阀的尺寸(口径)，以节约投资。这在限制方案选择时，有时是须要加以考虑的。例如离心泵的流量限制，其限制阀一般安装在出口管线上，而不安装在吸入管线上，这是因为离心泵的吸入高度(压头)是有限的，压差较小，将会影响限制阀的正常工作。同时，由于离心泵的吸入压头损失在限制阀上，以致会影响离心泵的正常工作。6-18什么叫气动执行器的气开式及气关式？其选择原则是什么？解气动执行器（限制阀）的气开式为，有压力限制信号时阀开，无压力限制信号时阀处于全关；气关式为，有压力限制信号时阀关，无压力限制信号时阀处于全开。气动执行器的气开式及气关式的选择原则是考虑工艺生产的安全，即限制信号中断时，应保证设备和工作人员的安全。第7章简单限制系统7-2题7-2图是一反应器温度限制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方块的含义，指出它们详细代表什么？假定该反应器温度限制系统中，反应器内需维持肯定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开,气关型式和限制器的正,反作用。题7-2图反应器温度限制系统解该反应器温度限制系统方块图如下图所示。题解7-2图反应器温度限制系统方块图其中：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；限制器是温度限制器。依据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度上升，被控对象是“正”作用；所以，限制器应为“反”作用。7-13试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正,反作用及限制器的正,反作用。（1）题7-13(a)图为一加热器出口物料温度限制系统，要求物料温度不能过高，否则简单分解；（2）题7-13(b)图为一冷却器出口物料温度限制系统，要求物料温度不能太低，否则简单结晶。题7-13图温度限制系统解（1）依据工艺要求，题7-13(a)图所示加热器出口物料温度限制系统，执行器应为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度上升，被控对象是“正”作用，所以，限制器应为“反”作用。（2）依据工艺要求，题7-13(b)图所示冷却器出口物料温度限制系统，执行器应为气开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，限制器应为“正”作用。7-14题7-14图为贮槽液位限制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种状况下，分别确定执行器的气开,气关型式及限制器的正,反作用。（1）选择流入量为操纵变量；（2）选择流出量为操纵变量。解（1）当选择流入量为操纵变量时，为满意贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，限制器应为“反”作用。（2）当选择流入量为操纵变量时，为满意贮题7-14图液位限制槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，限制器应为“反”作用。7-15题7-15图所示为一锅炉汽包液位限制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的方块图，推断限制阀的气开,气关型式，确定限制器的正,反作用，并简述当加热室温度上升导致蒸汽蒸发量增加时，该限制系统是如何克服扰动的？题7-15图锅炉气包液位限制系统解该限制系统的方块图如下图所示。题解7-15图锅炉气包液位限制系统方块图其中：被控对象是锅炉汽包；被控变量是锅炉汽包内液位；操纵变量是冷水流量；限制器是温度限制器。限制阀应为气关型式；被控对象是“正”作用，限制器应为“正”作用。当加热室温度上升导致蒸汽蒸发量增加时，汽包内液位下降，限制器输出信号减小，气关阀开度增大（关小），冷水流量增大。克服汽包内液位降低。7-16题7-16图所示为精馏塔温度限制系统的示意图，它通过限制进入再沸器的蒸汽量实现被控变量的稳定。试画出该限制系统的方块图，确定限制阀的气开气,关型式和限制器的正,反作用，并简述由于外界扰动使精馏塔温度上升时该系统的限制过程（此处假定精馏塔的温度不能太高）。题7-16图精馏塔温度限制系统解精馏塔温度限制系统的方块图如下图所示。题解7-16图精馏塔温度限制系统方块图限制阀应为气开型式；被控对象是“正”作用，限制器应为“反”作用。当外界扰动使精馏塔温度上升时，限制器输出减小，限制阀开度变小，蒸汽流量降低，精馏塔温度下降。7-18某限制系统采纳Ⅲ型限制器，用临界比例度法整定参数。已测得k＝30％,＝3。试确定作用和作用时限制器的参数。解作用时限制器的比例度=66%，积分时间2.55。作用时限制器的比例度=51%，积分时间1.5，微分时间0.375。7-19某限制系统用4:1衰减曲线法整定限制器的参数。已测得s＝50％,＝5。试确定作用和作用时限制器的参数。解作用时限制器的比例度=60%，积分时间2.5。作用时限制器的比例度=40%，积分时间1.5，微分时间0.5。第8章困难限制系统8-7题8-7图所示为聚合釜温度限制系统。试问：（1）这是一个什么类型的限制系统？试画出它的方块图；（2）假如聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定限制阀的气开,气关型式；（3）确定主,副限制器的正,反作用；（4）简述当冷却水压力变化时的限制过程；（5）假如冷却水的温度是常常波动的，上述系统应如何改进？（6）假如选择夹套内的水温作为副变量构成串级限制系统，试画出它的方块图，并确定主,副限制器的正,反作用。题8-5图聚合釜温度限制系统解（1）这是一个温度-流量串级限制系统，其方块图如下：题解8-5图1温度-流量串级限制系统的方块图其中：主对象是聚合釜，主变量是聚合釜内的温度，主限制器是温度限制器；副对象是冷却水管道，副变量是冷却水流量，副限制器是流量限制器；操纵变量是冷却水流量。（2）假如聚合釜的温度不允许过高，限制阀应为气关型式（“反”作用）。（3）由于副变量就是操纵变量（冷却水流量）本身，所以副对象是“正”作用，因此副限制器为“正”作用。当主变量（聚合釜内的温度）增加时，要使主变量减小，要求限制阀关小；副变量（冷却水流量）增加时，要使副变量减小，要求限制阀关大。因此主限制器应为“正”作用。（4）当冷却水压力变化（如压力增大）时，在限制阀开度不变时，其流量增大，聚合釜温度会降低。首先，流量增大，副限制器输出信号增大（“正”作用），使气关阀门开度减小，减小冷却水流量；其次，聚合釜温度降低，主限制器输出减小（“正”作用），给定值减小，输出增大，进一步关小限制阀，减小冷却水流量。这样可以有效地限制因冷却水压力增大，导致其流量增大所造成的聚合釜内温度降低的影响。（5）假如冷却水温度常常波动，则应选择冷却水温度作为副变量，构成温度-温度串级限制系统。如题解8-5图2所示。题解8-5图2聚合釜温度-冷却水温度串级限制系统（6）假如选择夹套内的水温作为副变量构成串级限制系统，其原理图如题解8-5图3所示。方块图如前所示，但其中的副对象是聚合釜夹套，副变量是夹套内的水温，副限制器是温度限制器T2C。副限制器T2C为“反”作用，主限制器T1C也为“反”作用。题解8-5图3聚合釜温度-夹套水温度串级限制系统题8-9图串级匀称限制系统8-9题8-9图是串级匀称限制系统示意图，试画出该系统的方块图，并分析这个方案及一般串级限制系统的异同点。假如限制阀选择为气开式，试确定和限制器的正,反作用。解限制系统的方块图（略）。该串级限制系统的副变量就是其操纵变量本身。当限制阀选择为气开式时，应为“正”作用，应为“反”作用。8-12试简述题8-12图所示单闭环比值限制系统，在Q1和Q2分别有波动时限制系统的限制过程。题8-12图单闭环比值限制系统解当主流量Q1变化时，经变送器送至主限制器F1C（或其他计算装置）。按预先设置好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量限制器F2C的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动限制系统，从而Q2跟随Q1变化，使得在新的工况下，流量比值K保持不变。当主流量没有变化而副流量由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值限制系统，通过限制克服干扰，使工艺要求的流量比值仍保持不变。8-16在题8-16图所示的限制系统中，被控变量为精馏塔塔底温度，限制手段是改变进入塔底再沸器的热剂流量，该系统采纳2℃的气态丙烯作为热剂，在再沸器内释热后呈液态进入冷凝液贮罐。试分析：（1）该系统是一个什么类型的限制系统？试画出其方块图；（2）若贮罐中的液位不能过低，试确定调整阀的气开,气关型式及限制器的正,反作用型式；（3）简述系统的限制过程。题8-16图精馏塔限制系统解该限制系统是温度-流量串级限制及液位简单限制构成的选择性限制系统（串级选择性限制系统）。系统方块图如下图所示。题解8-16图串级选择性限制系统方块图依据工艺要求，贮罐中的液位不能过低，则调整阀应为气开式。液位限制器应为“正”作用；温度限制器为“反”作用；流量限制器为“反”作用。正常工况下，为一温度-流量串级限制系统，气态丙烯流量（压力）的波动通过副回