何道清《仪表与自动化》课后答案.doc

仪表与自动化第二版第1章 自动控制系统基本概念1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？解 自动控制系统主要由检测变送器、控制器、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控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。题1-5图 加热器控制流程图解 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。 1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？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。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）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）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)用来实现控制作用的物料。1-11 题l-11图所示为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不变。试画出该温度控制系统的方块图，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？并说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。题1-11图 反应器温度控制系统解 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。1-12 题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控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（即升高）时，温度测量元件测出温度值与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控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，自动控制系统可分哪几类？解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类：定值控制系统给定值恒定的控制系统。随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化的系统。程序控制系统给定值按一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，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），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线解 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=42:10=4.2；余差C=908-900=8；振荡周期T=45-9=36(min)；过渡时间ts=47min。因为A=5080，C=81.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。3-7什么叫压力？表压力、绝对压力、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）、波纹管式弹性元件。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：输出信号与压差成正比；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01MPa，精度等级为1.0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 压力表允许的最大绝对误差为Dmax=1.0MPa1.0%=0.01MPa在校验点0.5MPa处，绝对误差为D=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。3-16为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？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Dm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。 3-17 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01.6MPa，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？若采用一台测量范围为01.0MPa，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01.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D1max=1.6MPa1.0%=0.016MPa0.01MPa(允许值)该表不符合工艺上的误差要求。 用01.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D2max=1.0MPa1.0%=0.01MPa0.01MPa(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1.11.6MPa，工艺要求就地观察罐内压力，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pmin=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系，有根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为02.5MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，测量的最大误差为Dmax1.15%=0.055(MPa)则所选压力表的最大引用误差应满足要求，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控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，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 合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为025MPa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01.6MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：被校表读数/MPa00 04 08 12 16标准表上行程读数/MPa0000 0385 0790 1210 1595标准表下行程读数/MPa0000 0405 0810 1215 1595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0.81.0MPa，测量的绝对误差不允许大于0.05MPa）？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/MPa0.0 0.4 0.8 1.2 1.6最大误差标准表上行程读数/MPa0.000 0.385 0.790 1.210 1.595标准表下行程读数/MPa0.000 0.405 0.810 1.215 1.595升降变差/MPa0.000 0.020 0.020 0.005 0.0000.020标准表上、下行程读数平均值/MPa0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595绝对误差D/MPa0.000 0.005 0.000 -0.013 0.005-0.013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Dm，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pmax=1.0MPa1.61/3MPa；最大误差Dmax=1.61.5%=0.024MPa0.6时，与理想流量特性相差无几。6-12 什么是并联管道中的分流比x ？ 试说明x值对控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，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=1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。6-13 已知某控制阀串联在管道中，系统总压差为100kPa，阻力比为s=0.5。阀全开时流过水的最大流量为60m3/h。阀的理想可调范围R=30，假设流动状态为非阻塞流。问该阀的额定(最大)流量系数Kmax及实际的可调范围Rr为多少？解 由 ，得控制阀全开时阀上压差 Dp1=Dps=1000.5=50 kPa，则实际的可调范围Rr为6-14 某台控制阀的额定流量系数Kmax100。当阀前后压差为200kPa时，其两种流体密度分别为1.2gcm3和0.8gcm3，流动状态均为非阻塞流时，问所能通过的最大流量各是多少？解 由，得当r=1.2gcm3时，当r=0.8gcm3时， 6-15 对于一台可调范围R30的控制阀，已知其最大流量系数为Kmax100，流体密度为1g/cm3。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l00kPa降为60kPa，如果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（假设被控流体为非阻塞的液体）。解 由于阻力比s等于控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比，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l00kPa，阀全开时两端压差为60kPa，所以阻力比：。 由于该阀的Cmax100，R30，在理想状况下，阀两端压差维持为l00kPa，流体密度为1g/cm3，则最大流量Qmaxl00m3/h，最小流量QminQmaxR100/303.33m3/h。对于非阻塞流的液体，。串联管道时，由于压差由l00kPa降为60kPa，故这时通过阀的最大流量将不再是l00m3/h，而是。这时的可调范围；（或）由上可见，串联管道时，会使控制阀的流量特性发生畸变，其可调范围会有所降低。如果s值很低，会使可调范围大大降低，以至影响控制阀的特性，使之不能发挥应有的控制作用。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 某台控制阀的流量系数Kmax200。当阀前后压差为1.2MPa，流体密度为0.81g/cm3，流动状态为非阻塞流时，问所能通过的最大流量为多少？如果压差变为0.2MPa时，所能通过的最大流量为多少？解 由公式，得当压差变为0.2MPa时，所能通过的最大流量为：上述结果表明，提高控制阀两端的压差时，对于同一尺寸的控制阀，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情况下，增加阀两端的压差，可以减小所选择控制阀的尺寸(口径)，以节省投资。这在控制方案选择时，有时是需要加以考虑的。例如离心泵的流量控制，其控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，将会影响控制阀的正常工作。同时，由于离心泵的吸入压头损失在控制阀上，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与气关式？其选择原则是什么？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