仪表与自动化课后习题与答案

1wky制作室制作仪表与自动化课后习题与答案1-3、自动控制系统主要由哪些环节组成？答：一个自动控制系统主要是由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套仪表，称自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器；另一部分是自动化装置所控制的生产设备。1-5、在自动控制系统中，测量变装置、控制器、执行器各起什么作用？答：测量元件与变送器，用于测量液位，并将测得的液位转化成统一的标准信号输出。控制器，接受测量变送器送来的信号并与工艺要求的液位高度进行比较，计算出偏差的大小，并按某种运算规律算出结果，再将此结果用标准信号发送至执行器。执行器，它接受控制器传来的操作指令信号，改变阀门的开度以改变物料或能量的大小，从而起到控制作用。1-8、图1-15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？答：PI-307：具有指示功能的压力表，该仪表就地安装，工号段为07。TRC-303：具有记录功能的温度控制仪表，该仪表集中仪表盘面安装，工号段为3，仪表序号为07。FRC-305：具有记录功能的流量控制仪表该仪表集中仪表盘面安装，工号段为3，仪表序号屡05。1-11、图1-16所示为一反应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。试现出该温度控制系统的方块图，并指出该项系统中的被控对象、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团环系统。2wky制作室制作答：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；可能干扰：进料和冷却水的流量、压力和温度的改变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，冷却水流量增加，这样使反应器的温度降下来，所以该项温度控制系统为一个具有负反馈的闭环系统。1-19、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60℃。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1-17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、余差和振荡周期。该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？答：最大偏差：A=950-900=50℃超调量：B=50-（908-900）=42℃衰减比：n=B：B′=950−908918−908=21：5余差：C=908-900=8℃振荡周期：45-9=36min1-20、图1-18（a）是蒸汽加热器的温度控制原理图。试现出该系统的方块图，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图1-18（b）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℃）。答：被控对象：蒸汽加热器被控变量：出口物料温度操纵变量：蒸汽流量可能干扰；物料和蒸汽输入的流量、压力、温度2-1、什么是对象特性？为什么要研究对象特性？答：对象的特性即对象的输入量与输出量之间的关系，是对象的外部特征，但它是由对象的内部结构机理等所决定。研究控制对象的特征，掌握其内在规律，可以为合理地选择自动控制方案，设计最佳的控制系统、选择合适的控制器及控制器参数提供依据，使系统正常地运行。2-8、反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？它们对自动控制系统有什么影响？答：反映对象特性的参数有：放大系数Ｋ、时间常用数Ｔ、滞后时间τ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。对象放大系数越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大。时间常数Ｔ：当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，达到新的稳态值所需的时间越长。滞后时间τ：在受到输入作用后，被控变量不能立即迅速地变化。系统受到3wky制作室制作限制干扰作用后，由于存在滞后，被控变量不能立即反映出来，于是不能及时产生控制作用，整个系统的控制量就会受到严重的影响。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5min，放大系数为了10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。解：5dy(t+2)dt+yτ(t+2)=10χ(t)2-12、如图所示的RC电路中，已知R=5Ω，C=2000μF。试画出𝐞𝐢突然由0V阶跃变化到5V时的𝐞𝟎变化曲线，并计算出t=T、t=2T、t=3T时的𝐞𝟎值解：根据基尔霍定律得：ei=iR+e0(t),其中i=Cde0dt∴RCde0dt+e0=ei∴e0(t)=ei(1-e−tT)=5(1-e−tT)T=RC=10se0(T)=3.16Ve0(2T)=4.32Ve0(3T)=4.75V2-13、已知一个简单水槽，其截面积为0.5㎡，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的基础上增加了0.1𝐦𝟑/𝐡，试画出水槽液位△h的变化曲线。解：由△Qt=△hA得△h=△QAt=0.2tm3-5、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如下表所示。标准表计数/℃02004006007008009001000被校表计数/℃020140260470680590310011、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；3、如果工艺上允许的最大绝对误差为±8℃，问该温度仪表是否符合要求？解：1、△max=706-700=6℃2、δmax=△max量程×100%=61000×100%=0.6%∴该温度表为1.0级3、△max=1000×±1%=±10℃±8℃∴该温度表不符合要求3-6、如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下表数据。标准表读数/MPa0246810被校表正行程读数/MPa01.983.965.947.979.99被校表反行程读数/MPa02.024.036.068.0310.011、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：升降变差：△max=6.06-5.94=0.12MPa4wky制作室制作δmax=0.1210×100%=1.21.0%∴该压力表不符合要求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？答：所谓压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。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3-15、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：△max=1×1.0%=0.01MPaδmax=0.508−0.51×100%=0.8%1.0%∴该压力表符合要求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0~1.0MPa，精度为1.0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：δmax=0.010.8×100%=1.25%△max=1.6×1.0%=0.016MPa0.01MPa∴该压力表不符合要求△max=1.0×1.0%=0.01MPa=0.01MPa∴该压力表符合要求3-18、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：∵Pmax≤34A∴A≥2.13MPa△max=1.1×±5%=0.055MPa∵Pmin≥13A∴A≤3.3MPa∴选用量程为0~2.5MPa的压力表3-19、某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不得超过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：由题可知：被测对象压力为高压，设所用压力表量程为A∴Pmax≤35A∴A≥14×53=23.3MPa根据量程系列选Pmin≥13A∴A≤14×3=42MPa用0~25MPa的压力表δmax=0.425−0×100%=1.6%∴根据精度等级选择1.5级仪表3-20、现有一台测量范围为0~1.6MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果如下表。标准表读数/MPa0.00.40.81.21.6被校表正行程读数/MPa0.0000.3850.7901.2101.595被校表反行程读数/MPa0.0000.4050.8101.2151.5955wky制作室制作试问这台表合格否？它能否用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.8~1.0MPa的绝对误差不允许大于0.05MPa）？解：δmax=0.021.6−0×100%=1.25%∴根据精度等级选择1.5级仪表,合格。△max=1.6×1.5%=0.024MPa0.05MPaA≥1.0×43=1.3MPaA≤0.8×3=2.4MPa∴所选压力表量程为~0.6MPa，符合要求δ=±1.5%×1.6=±0.0240.05∴精度等级符合要求3-48、测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，经常在负压管上装有冷凝罐（见图3-91），问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移，迁移量应如何考虑？解：P1=ρg(H+h1)+P0P2=ρgh2+P0△P=ρg(H+h1-h2)0∴有零点迁移，且为负迁移即当H=0时将变送器的输出值调回4mA当H=Hmax时，将变送器的输出值调回20mA3-54、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？答：将两种不同导体A、B统一一个闭合回路，若两接触点温度不同，则回路中有一定大小电流，表明回路有电势，则为热电特性。热电动势包括：接触电势、温差电势3-56、用热电偶测量时，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：在工程测试中，冷端温度随环境温度变化而变化。若T≠0℃，将引入测量误差，因此必须对冷端进行补偿。方法；延长导线法、0℃恒温法、冷端温度修正法、电桥补偿法3-58、用K型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型热电偶来测温，在相同的条件下，E型热电偶测得的热电势为多少？解：(1)EAB（T，25）=20mV查表得EAB（25，0）=1.0005mV∴EAB（T，0）=EAB（T，25）+EAB（25，0）=20+1.0005=21.0005mV(2)EAB（T，0）=EAB（T，25）+EAB（25，0）∴EAB（T，25）=37683.4-1496.5uV=36.1869uV3-59、现用一支镍铬-铜镍热电偶来测温，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：EAB（T，0）=EAB（T，30）+EAB（30，0）=28943+1801=30744uV查表得T=422℃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6wky制作室制作有几种？相应的𝐑𝟎各为多少？答：热电阻是利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测量系统。常用的热电阻有铂热电阻、铜热电阻。铂热电阻的分度号主要为Pt100和Pt50两种，其0℃时的电阻值R0分别为100Ω和50Ω。此外还有R0=1000Ω的Pt1000铂热电阻。标准化铜热电阻的R0一般为100Ω和50Ω两种，对应的分度号为Cu100和Cu50