化工仪表及自动化习题答案第5版

1、化工自动化主要包括哪些内容？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。

2、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。

3、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。

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。

4、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？反应器温度控制系统该温度控制系统的方块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。

5、某化学反应器工艺规定操作温度为(900 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t s=47min。

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。

6、题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。

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？现因生产需要，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：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。

题1-20图蒸汽加热器温度控制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 =80.7-81= -0.3（℃）。

P337、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τ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τ表示。

对象的滞后时间τ，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。

P1018(1)求出该温度仪表的最大绝对误差值； (2)确定该温度仪表的精度等级；由以上数据处理表知，最大绝对误差：+6℃； (2)仪表误差：%6.0%10010006max ±=⨯±=δ， 仪表的精度等级应定为1.0级；9输入量的变化量输出量的变化量=K(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：由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%； （2）仪表误差：%5.0%10010005.0max ±=⨯±=δ； 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。

10、某压力表的测量范围为0～1MPa ，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∆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%57.1%100508.0008.0-=⨯-=δ故该校验点不符合1.0级精度。

11、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∆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。

12、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0~1.0MPa ，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0~1.6MPa 、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差∆1max =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l.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。

13、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p min =1.1MPa ，工作压力上限p max =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)(13.26.1343443max max MPa p p p p =⨯=≥⇒≤ )(3.31.13331min minMPa p p p p =⨯=≤⇒≥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 ≤1.1⨯5%=0.055(MPa)则所选压力表的最大引用误差应满足%2.2%10005.2055.0max =⨯-≤δ要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。

14、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)(3.231435MPa p ≈⨯≥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%6.1%100254.0max =⨯≤δ 要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。

15、用转子流量计来测气压为0.65MPa 、温度为40℃的CO 2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s ，求CO 2的真实流量（已知CO 2在标准状态时的密度为1.977kg ／m 3）。

解 由题知：p 0=0.101325MPa ，p 1=0.65+0.101325=0.751325(MPa)；T 0=293K ， T 1=273+40=313（K ）；ρ0=1.293kg/Nm 3；ρ1=1.977kg/Nm 3，Q 0=50L/s 。

则)/(10550313101325.0977.1293751325.0293.101010101s L Q T p T p Q =⋅⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅=ρρ16、用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min ，转子用密度为7920kg ／m 3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kg ／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2750kg ／m 3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ρt =7920kg ／m 3，ρf =0.831kg ／L=831kg ／m 3，ρW =1000／m 3，Q 0=10 L/min 测苯的流量的修正系数为()()9.01000)8317920(831)10007920(≈⨯-⨯-=--=wf tfw t Q K ρρρρρρQ r =Q 0/K Q =10/0.9≈11.1(L/min)所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min 。

当转子材料改为铝时，ρr =2750kg ／m 3，此时测水的流量的修正系数为()()210002750)10007920(≈--=--=w r w t rQ K ρρρρQ r0=Q 0/K rQ =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()()87.01000)8312750(831)10002750(=⨯-⨯-=--=wf rfw r fQ K ρρρρρρQ r f =Q r0/K f Q =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/min 。