化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版Word文档下载推荐.docx
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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。
Ex17.阶跃作用：
在某一瞬间t0，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。
Ex19.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…
习题（第二章）
Ex1.对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。
各种对象千差万别，有的操作很稳定，操作很容易；
有的
稍不小心可能就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。
有
经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得
心应手；
设计自动化装置时，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，使系统正
常地运行。
Ex2.对象的数学模型指对象特性的数学描述。
静态数学模型：
描述的是对象在静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。
Ex4.机理建模法、实验建模法。
Ex5.对象或生产过程的内部机理。
Ex7.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
不大。
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。
矩形脉冲法：
特点是提高了精度，对工艺影响较小。
采用
~时，由于加在对象上的干扰经过一段时间后即被除去，
因此干扰的幅值可以取得较大，提高了实验精度。
同时，
对象的输出量又不会长时间偏离给定值，故对工艺生产影
响较小。
Ex8.放大系数K、时间常数T、滞后时间τ；
放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化
量与输入的变化量之比；
时间常数T指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果
保持在初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间；
滞后时间τ是纯滞后时间和容量滞后时间的总称，它反映
对象受到输入作用后，输出不能立即、迅速变化的现象。
。
Ex10.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。
Ex13.
3
1
10
01
05
20202
02
11Q./
.
..
Qmh
dhQdt
hQdtdtth
ht
=
=Δ
⇒=Δ==+
⇒
Δ
Δ=
∫∫
2
0设截面积=0.5M，是原来平衡时液位，是输入量
改变后对应的液位，。
Ahh
Ex14.
（）
/
（2）/
（82
/（150120）/（3.02.5）60
2（min）
（）600.5
（1）
14512025
256
b
t8min
00.5（1
tT
xQyT
Kyx
yte
yT
e
τ
−
−−
=Δ=Δ
==−−=
=×
−
=Δ=−=
∴
×
令输入量；
输出量℃；
放大系数；
又由图知纯滞后时间。
无滞后时一阶对象输出表达式为：
；
有滞后时一阶对象输出表达式为：
。
当时，℃，代入上式，有：
）/（）
（2）/3.35
）
3.35
（2）
（2）60（）
（
T3.35
mi
n
3
（1）
T
t
dytytxt
dt
+
++=
=−
≈
，解出。
微分方程式为；
函数表达式为。
习题（第三章）
Ex1.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。
Ex2.
由仪表读得的被测值与被测量真值之间会存在一定的差距，
这一差距称为~。
表示方法有：
绝对误差和相对误差。
绝对误差：
Δ=x－x0相对误差：
0
00
yxx
xx
Δ−
==
Ex3.
仪表的相对百分误差：
仪表允许的百分误差
max100%max100%
A
δ
×
测量范围上限值测量范围下限值
100%max100%
=±
=±
允×
允
仪表允许的最大绝对误差值
Ex4.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来划
分成若干等级的。
Ex5.某一标尺为0~1000oC的温度计出厂前经校验，其刻度标
尺上的各点测量结果分别为：
（1）求出该温度计的最大绝对误差值；
（2）确定该温度计的精度等级；
（3）如果工艺上允许的最大绝对误差为±
8℃，问该温度计
是否符合要求？
被校表读数/℃02014026047068059031001
标准表读数/℃02004006007008009001000
解：
（3）工艺要求：
Δmax=±
8°
C
100%0.8%
10000
max100%8×
±
°
=
Δ
=C
满量程允δ
应选择精度等级0.5；
所以此温度计不符合要求。
Ex7.压力指垂直均匀地作用于单位面积上的力。
关系：
p表压=p绝对压力－p大气压力
p真空度=p大气压力－p绝对压力
Ex8.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。
Ex9.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
量的。
Ex10.主要的弹性元件有：
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1000MPa的压力；
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；
波纹管：
这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。
Ex11.测压原理：
将被测压力转换成弹簧管自由端的位移来进
行测量的。
主要组成：
弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头。
测压过程：
当被测压力通入弹簧管后，由于弹簧管在压力
作用下产生变形，使其自由端产生位移，经放大后就可以
由指针在面板上指示出相应的压力值。
Ex12.
控制线路图：
p下限
p上限220V
~
绿灯
红灯
警笛
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。
Ex14.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。
Ex15.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。
Ex20.max
max
1100%1%
1%101%0.01
0.01
20.50.5080.008
AMPa
MPa
xxMPa
⇒Δ=×
=−×
Δ=−=−=−
测标
（）（）
允许的最大绝对误差为。
）（）
∵-0.01<
<
0.01∴在这一点符合1级精度。
Ex23.某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.1~1.6MPa，
工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不大于
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:
空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力；
且只需要
就地观察，不需要远传变送，所以选择普通单圈弹簧管压
力计（类型）；
测量范围选择：
查表，压力计的测量范围可选0~2.5MPa，此时
maxmax
233
322
p≤p,p≥p=×
1.6=2.4MPa）测上限上限测即：
（
min
p=1.1（MPa）≥×
2.5=0.83（MPa）测
∴所选测量范围合适。
续:
精度等级确定：
△max允=1.1×
5%=0.055（MPa），
max0.055
2.5
100%100%2.2%
允
∵1.5＜2.2＜2.5，∴应选1.5级精度等级。
类型确定：
要求就地指示，选弹簧管压力表就可满足要求。
综上，可选测量范围为0~2.5MPa，1.5级精度的Y-150普通
弹簧管压力表。
Ex29.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。
Ex30.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。
Ex33.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。
Ex37.010
101
1.2930.6529350
1.
QQ
9770.10133313
99.1
pT
ρ
（L/s）
Ex39.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。
Ex41.电磁流量计的原理：
是基于电磁感应定律工作的。
它是
将流体的流速转换为感应电势的大小来进行测量的。
Ex42.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。
Ex46.
（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γ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。
Ex47.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。
Ex48.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。
p0
H
p2
p1
溢出孔
12
pHgp
pp
pppHg
Hg
p
ρ⇒
=+⎪⎫⎪⎫⎪⎫
=⎬⎪⎭
Δ==
大气
∴当、不变时，
与成
的量
正。
测的测量
比
Ex48.思考：
33
32
21.010/,
1.510/
29.81.01019600
29.81.51029400
19600~29400
Hmkgm
kgm
mPa
PaPa
==×
Δ=×
若，被测液体密度
求差压变送器的差压变化
范围。
（g取9.8N/kg）
p=HgN/
范围：
Ex49.
1021210
22101
12021
phghhgp
phhhgp
ppph
ph
gKh
ρρ
=+++
Δ=−=−
利用差压式液位计可以测液体的分界面。
∴与分界面高度成正比。
2）注意：
测量界面时，两种液体应互不相溶，且有明显的密度差；
差压变送器的正取压口应在最低分界面之下，负取压口应在
最高分界面之上，但不能高于容器内的液位高度（即不能气
相取压。
Ex50.使用差压变送器测量液位时，一般差压Δp与液位高度H
之间的关系为：
Δp=Hρg。
这就是“无迁移”的情况。
当
H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。
实际应用
中，由于安装有隔离罐、凝液罐、或由于差压变送器安装
位置的影响等，使得在液位测量中，当H=0时，正、负压
室的压力并不相等，即Δp≠0，这就是液位测量时的零点
迁移问题。
可调节差压变送器上的迁移弹簧，以使当H=0时，尽管差
压变送器的输入信号Δp≠0，但变送器的输出为标准最小
值（对DDZⅢ，即I0=4mA）。
零点迁移实质上是变送器零点的大范围调整，它改变了测
量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量
程的大小。
Ex51.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Δp＞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Δp＜0，则为“负迁移”。
Ex54.在电容器和极板之间，充以不同介质时，电容量的大小
也有所不同。
因此可通过测量电容量的变化来检测液位、料
位和两种不同液体的分界面。
Ex58.热电偶的热电特性除与两接点处的温度有关外，还与热
电极的材料有关。
Ex59.常用热电偶及其补偿导线如下：
（参教材P79）
Ex59.补偿导线的作用：
工程上常用一种专用导线，把暴露在空
间的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方，解决
冷端温度难以保持恒定的问题。
使用补偿导线时注意：
1）要注意型号匹配。
2）极性不能接
错，热电偶正、负极分别与补偿导线正、负极相接。
3）热电
偶与补偿导线连接端所处的温度在0~100℃内。
Ex60.作用：
采用补偿导线可把热电偶的冷端从温度较高和不
稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷
端温度还不是0℃，而工业上常用热电偶的Et-t关系曲线是
在冷端温度t0=0℃情况下得到的，与它配套使用的仪表也是
根据这一关系曲线进行刻度的。
而操作室的温度往往不是
0℃，这样测量结果就会有误差，因此需要进行冷端温度的
补偿。
（解决冷端温度不为零的问题）
方法：
冷端温度保持为0℃的方法；
冷端温度修正法；
校正
仪表零点法；
补偿电桥法；
补偿热电偶法。
Ex62.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，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势是多少？
KK
KKK
E
EE
EEE
（,25）20（25,0）1
（,0）（,25）（25,0）20121
509
（25,0）1.5
509（,0）（509,0）37.7
（,25）（,0）（25,0）37.71.536.2
EtmVKEmV
EtEtEmV
EmV
EtEmV
=+=+=
=−=−=
已测出，查表可知，
故，
再查K表，得℃。
改用E热电偶后，查E表得，
设备温度为℃，查表得，
∴。
不对。
因为此时冷端温度为30℃，而仪表指示值400℃
是在仪表的机械零位在0℃时的值，而Et-t关系又是非线性
的，所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。
（400,0）28.943（,30）
（,30）（400,0）28.943
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