化工仪表及其自动化第四版厉玉鸣答案.docx
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化工仪表及其自动化第四版厉玉鸣答案
第一章自动控制系统基本概念
1．什么是化工自动化？
它有什么重要意义？
答：
在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，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，称为化工自动化。
化工自动化的重要意义是：
加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量；降低劳动强度，改善劳动成本，改变劳动方式；确保生产安全。
6．图1-16为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
答：
PI-307：
表示测量点在蒸汽加热器的一台压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07。
仪表安装在现场。
TRC-303：
表示测量点在蒸汽加热器出料管线上的一台温度记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为03。
仪表安装在集中仪表盘面上。
FRC-305：
表示测量点在蒸汽加热器进料管线上的一台流量记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为05。
仪表安装在集中仪表盘面上。
8．自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用?
答：
在自动控制系统中，测量变送装置用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）；控制器将测量变送装置送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器；执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
9．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量?
答：
被控对象——自动控制系统中，需要实现控制的设备、机械或生产过程等。
被控变量——被控对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的工艺参数（物理量）。
设定值——工艺规定被控变量所要保持的数值。
操纵变量——受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持一定数值的物料
量或能量。
11．图1-17所示是一反应器温度控制系统示意图。
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控制反应器内的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的干动是什么?
解：
反应器的温度控制系统的方块图如下图所示。
TCP
控制器执行器
干扰
T
反应器
测量、变送
反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量。
可能影响被控变量变化的干扰是：
A、B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。
21．某化学反应器工艺规定操作温度为（900士10）
℃。
考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。
现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-18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、过和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？
解：
由反应器过渡过程曲线可知：
最大偏差A=950一900=50℃超调量B=950一908=42℃衰减比n
第一个波峰值与新稳定值之差B=950一908=42℃第二个波峰值与新稳定值之差B'=918一908=10℃
n=B/B'=42:
10=4.2:
1
振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故振荡周期T=45一9=36min
因为最大偏差A==50℃<80℃，且新稳定值908℃符合题中要求的（900±10）℃，故该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
第二章过程特性及其数学模型
作业题（P32-33）
9．为什么说放大系数K是对象的静态特性？
而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？
答：
放大系数K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比，即
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需要的时间。
或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%所需要的时间。
时间常数是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是描述对象动态特性的一个重要参数。
滞后时间τ是纯滞后时间τ0和容量滞后τr的总和。
输出变量的变化落后于输人变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引
起的。
容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
所以滞后时间
τ也是反映对象动态特性的重要参数。
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）突然将燃料气量从2.5t/h增加到3.0t/h.重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如图2-25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（分别以温度变化量与燃料量变化量为输人量与输出量），并写出燃料量变化量为0.5t/h时温度变化量的函数表达式。
解：
该对象为具有纯滞后的一阶对象，由图2-25可得出
150−120
放大系数
K==60（℃·h/t）
3.0−2.5
由一阶对象的输出响应
Δθ=KA（1−e
−Δt
T）
（14-1）
[其中Δθ为温度的增量，A为输入幅值，T为时间常数，Δt为与Δθ相对应的时间增量。
]
Δθ=145−120=25（℃），
A=3.0−2.5=0.5（t/h），
Δt=8−2=6（min）
将以上数据代入式（14-1），有
−6
25=60×0.5（1−eT）
可得T≈3.35（min）
由于有纯滞后时间
τ=2（min）
故描述该重油预热炉特性的微分方程式为
3.35dy（t+2）+y（t+2）=60x（t）
dt
式中，y为输出量（温度变化值），x为输入量（燃料量变化值）。
当燃料量变化量为0.5t/h，由14-1），得输出温度变化量的函数表达式
（14-2）
−t−τ
−t−2
−t−2
Δθ=KA（1−e
T）=60×0.5（1−e3.35）=30（1−e3.35）（t≥2）（14-3）
第三章检测仪表与传感器
作业题（P90-92）
1．什么叫测量过程？
答：
测量过程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。
一般利用专门的技术工具（即测量仪表），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。
3．何为仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差?
答：
工业上经常将绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为相对百分误差δ，即
（仪表的测量范围上限值与下限值之差，称为该仪表的量程。
）根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就
叫允许误差。
允许误差一般用相对百分误差来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，即
4．何为仪表的精度等级？
答：
仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。
仪表的精确度等级是将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“%”号去掉后的数值，以一定的符号表示在仪表的标尺板上。
目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，
0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
精度等级1.0，表示该仪表允许相对百分误差误差为±1.0%。
6．有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据：
被校表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
标准表正行程读数/MPa
0
1.98
3.96
5.94
7.97
9.99
标准表反行程读数/MPa
0
2.02
4.03
6.06
8.03
10.01
（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）该仪表正、反行程各点标准表读数的差值为：
0-0=0（MPa），2.02-1.98=0.04（MPa），4.03-3.96=0.07（MPa），
6.06-5.94=0.12（MPa），8.03-7.97=0.06（MPa），10.01-9.99=0.02（MPa）。
故其正、反行程最大差值（即最大绝对差值）Δf=0.12（MPa），所以该压力表的变差为：
δf=
Δf
10−0
×100%=
0.12
10−0
×100%=1.2%。
（2）由于该压力表的变差已超过1.0级仪表的允许误差，故不符合1.0级精度。
9．测压仪表有哪几类?
各基于什么原理?
答：
测压仪表按其转换原理的不同，主要有四大类：
液柱式压力计、弹性式压力计、电气式压力计、活塞式压力计。
液柱式压力计是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的；弹性式
压力计是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的；电气式压力计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。
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。
答：
弹簧管压力计是利用弹簧管在被测压力作用下产生变形，使自由端产生位移，经放大机构使指针偏转，从而指示出相应的压力值。
弹簧管压力计主要由弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头组成。
弹簧管压力计测压过程：
当通入被测压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将
趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形。
由于变形，使弹簧管的自由端产生位移。
输入压力p越大，产生的变形也越大。
由于输人压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。
由于弹簧管自由端的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。
具体的放大过程是，弹簧管自由端B的位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，于是指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转，在面板的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。
游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。
改变调整螺钉的位置（即改变机械传动的放大系数），可以实现压力表量程的调整。
16．电容式压力传感器的工作原理是什么？
有何特点?
答：
电容式压力传感器的工作原理是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极板之间的距离，造成电容量发生变化。
电容式压力传感器特点：
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。
21．某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？
若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为
0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么?
解：
最大绝对误差Δmax=（1-0）×1%=0.01（MPa）在校验点为0.5MPa处，校验得到的绝对误差为
Δ=0.508-0.5=0.008（MPa）＜0.01（MPa）故在该校验点符合1级精度。
23．如果某反应器最大压力为0.8MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。
现用一台测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？
若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，问能符合误差要求吗？
试说明其理由。
解：
采用测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表，其允许最大绝对误差
Δmax=（1.6-0）×1%=0.016（MPa）＞0.01（MPa）超出了工艺上允许的最大绝对误差，故不能符合工艺上的误差要求。
若采用测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，其允许最大绝对误差Δmax=（1.0-0）×1%=0.01（MPa）=0.01（MPa）
等于工艺上允许的最大绝对误差，故能符合工艺上的误差要求。
27．压力计安装要注意什么间题?
答：
（1）压力计应安装在易观察和检修的地方；
（2）安装地点应力求避免振动和高温影响；
（3）针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施；（4）压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄
漏；（5）当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp=±ρgH进行修正（式中ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度，H为高度差）；（6）为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。
30．什么叫节流现象?
流体经节流装置时为什么会产生静压差?
答：
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节流现象。
流体流经节流装置时，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变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。
34．为什么说转子流量计是定压降式流量计，而差压式流量计是变压降式流量计?
答：
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，节流装置两端的压降也是随之改变的。
38．用转子流量计来测气压为0.65Mpa，温度为40℃的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量（已知CO2在标准状态时的密度为1.977kg/m3）。
解：
根据气体流量的修正公式，可计算得到CO2的真实流量为
Q=ρ0×
p1×
T0×Q=
1.293×
0.65
×293.15×50=99.1（L/s）
10
ρ1p0T1
1.9770.10133313.15
[注：
按题中0.65Mpa为绝压进行计算]
Q=ρ0×
p1×
T0×Q=
1.293×
0.75133×
293.15×50=106.5（L/s）
10
ρ1p0T1
1.9770.10133313.15
[注：
按题中0.65Mpa为表压进行计算]
39．用水刻度的流量计，测量范围为0~10L/min，转子用密度为7920kg/m3的不锈钢制成。
若这时转子材料改为由密度为2750kg/m3的铝制成，问这时用来测量苯的流量，其测量范围为多少？
苯的密度为0.831kg/L苯的流量。
解：
转子流量计测量水时，其流量公式为：
Q水=φh
2gv（ρt−ρ水）
t苯
ρ水A
。
若将转子材料更换
后，并用来测量苯，其流量公式为：
Q苯=φh
2gv（ρ'−ρ）
，
ρ苯A
Q苯
所以有：
=
Q水
（ρ'−ρ）ρ
=
（ρt−ρ水）ρ苯
（2750-831）1000（7920−1000）831
=0.578，
Q苯=0.578×Q水=0.578×10=5.78L/min。
故测量苯的量程为0-5.78L/min。
41．椭圆齿轮流量计的特点是什么？
在使用中要注意什么问题？
答：
椭圆齿轮流量计的特点是：
测量精度高、对流体黏度变化不敏感，特别适用于测量高黏度的流体流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，一般不宜在高温或低温下使用。
使用椭圆齿轮流量计时，要特别注意被测介质的温度不能大于流量计的使用温度。
因为温度过高时，齿轮发生膨胀，有卡死的可能。
此外，也应注意被测介质中不应含有固体颗粒和夹杂机械物，以免引起齿轮磨损或损坏。
48．按工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型？
它们的工作原理各是什么？
答：
按其工作原理主要有下列几种类型。
（1）直读式物位仪表这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
它们是利用连通器的原理工作的。
（2）差压式物位仪表这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。
它们是利用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。
（3）浮力式物位仪表这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。
它们是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）电磁式物位仪表这类仪表可分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式等几种。
它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。
另外，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
（5）核辐射式物位仪表这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。
（6）声波式物位仪表这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。
它们的原理是：
由于物位的变化引起声阻扰的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可以测知物位。
（7）光学式物位仪表这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。
它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。
49．差压式液位计的工作原理是什么？
当测量有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一定要与容器的气相相连接？
答：
差压式液位变送器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。
如右图所示，将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。
设容器上部空间为干燥气体，其压力为p，
则
p1=p+ρgH
p2=p
由此可得
Δp=p1−p2=ρgH
式中，H为液位高度；ρ为介质密度；g重力加速度；
p1、p2分别为差压变送器正、负压室的压力。
当被测介质的密度是已知的，则差压变送器测得的差压与液位高度成正比。
这样就把测
量液位高度转换为测量差压的问题了。
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。
52．什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？
答：
在使用差压变送器测量液位时，一般压差Δp与液位高度H之间的关系为：
Δp=ρgH。
这就是一般的“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，当被测液位H=0时，差压变送器正、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。
为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H=0时，尽管差压变送器
的输入信号Δp不等于0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。
零点迁移实质就是变送器零点的大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范
围的平移，而不改变量程的大小。
59．试述温度测量仪表的种类有哪些？
各使用在什么场合？
答：
按照测量方式的不同，温度测量仪表可以分为接触式与非接触式两类。
接触式测温时，测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。
接触式温度计结构简单、可靠，测量精度较高，但由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，测温元件容易破坏被测对象的温度场，且有可能与被测介质产生化学反应，同时带来测温过程的滞后现象。
不适于测量热容量小、极高温和处于运动中的对象温度，不适于直接对腐蚀性介质测量。
非接触式测温时，测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。
从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不会破坏被测对象的温度场。
非接触式测温响应快，对被测对象扰动小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。
但缺点是容易受到外界因素的扰动，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。
60．热电偶的热电特性与哪些因素有关?
答：
热电偶的热电特性与两接点处的温度、热电极的材料有关。
62．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？
答：
采用补偿导线后，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℃。
而工业上常用的各种热电偶的温度一热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。
因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。
这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
冷端温度补偿的方法有以下几种：
（1）冷端温度保持为0℃的方法；
（2）冷端温度修正方法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。
64．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为多少？
解：
当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即
E（t,t0）=20mV
查表可得
因为
E（t0,0）=E（25,0）=1mV
E（t,0）=E（t,t0）+E（t0,0）=E（t,25）+E（25,0）=20+1=21mV
由此电势，查表可得t=509°C，即设备温度为509℃。
若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃，查表可得
E（t0,0）=E（25,0）=1.50mV
设备温度为509℃，查表可得
E（t,0）=E（509,0）=37.7mV
因为E（t,t0）=E（t,0）−E（t0,0）=E（t,0）−E（25,0）=37.7−1.5=36.2mV
即E热电偶测得的热电势为36.2mV
66．测温系统如图3-79所示。
请说出这是工业上用的哪
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