檢測儀表與傳感器習題解答

第二章2-15什么叫壓力?表壓力、絕對壓力、負壓力(真空度)之間有何關系?解（1）工程上的壓力是物理上的壓強，即P=F/S（壓強）。（2）絕對壓力是指物體所受的實際壓力；表壓力=絕對壓力-大氣壓力；負壓力（真空度）=大氣壓力-絕對壓力2-24電容式壓力傳感器的工作原理是什么?有何特點?解見教材P.54~P.55。當差動電容傳感器的中間彈性膜片兩邊壓力不等時，膜片變形，膜片兩邊電容器的電容量變化（不等），利用變壓器電橋將電容量的變化轉換為電橋輸出電壓的變化，從而反映膜片兩邊壓力的差異（即壓差）。其特點：輸出信號與壓差成正比；應用范圍廣，可用于表壓、差壓、流量、液位等的測量。2-27某壓力表的測量范圍為0～1MPa，精度等級為1.0級，試問此壓力表允許的最大絕對誤差是多少?若用標準壓力計來校驗該壓力表，在校驗點為0.5MPa時，標準壓力計上讀數為0.508MPa，試問被校壓力表在這一點是否符合1級精度，為什么?解壓力表允許的最大絕對誤差為Dmax=1.0MPa′1.0%=0.01MPa在校驗點0.5MPa處，絕對誤差為D=0.5-0.508=-0.008(MPa)該校驗點的測量誤差為故該校驗點不符合1.0級精度。2-28．為什么測量儀表的測量范圍要根據測量大小來選取?選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數值有何問題?解（1）為了保證敏感元件能在其安全的范圍內可靠地工作，也考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地，但還必須考慮實際使用時的測量誤差，儀表的量程又不宜選得過大。（2）由于儀表的基本誤差Dm由其精度等級和量程決定，在整個儀表測量范圍內其大小是一定的，選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數值這樣會加大測量誤差。2-29如果某反應器最大壓力為0.8MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa?，F用一臺測量范圍為0~1.6MPa，精度為l.0級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝上的誤差要求?若采用一臺測量范圍為0~1.0MPa，精度為1.0級的壓力表，問能符合誤差要求嗎?試說明其理由。解用0~1.6MPa、精度為l.0級的壓力表來進行測量的基本誤差Dmax=1.6MPa′1.0%=0.016MPa>0.01MPa(允許值)該表不符合工藝上的誤差要求。用0~1.0MPa、精度為l.0級的壓力表來進行測量的基本誤差Dmax=1.0MPa′1.0%=0.01MPa>0.01MPa(允許值)該表符合工藝上的誤差要求。2-30某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為1.1~1.6MPa，工藝要求就地觀察罐內壓力，并要求測量結果的誤差不得大于罐內壓力的±5％，試選擇一臺合適的壓力計(類型、測量范圍、精度等級)，并說明其理由。解空壓機緩沖器內壓力為穩(wěn)態(tài)壓力，其工作壓力下限pmin=1.1MPa，工作壓力上限pmax=1.6MPa。設所選壓力表量程為p，則根據最大、最小工作壓力與選用壓力表量程關系，有根據壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型、測量范圍為0~2.5MPa的電接點壓力表。根據測量誤差要求，測量的最大誤差為Dmax￡1.1′5%=0.055(MPa)則所選壓力表的最大引用誤差應滿足要求，故可選精度等級為2.0級（或1.5級）的壓力表。2-31某合成氨廠合成塔壓力控制指標為14MPa，要求誤差不超過0.4MPa，試選用一臺就地指示的壓力表(給出型號、測量范圍、精度等級)。解合成塔控制壓力14MPa為高壓，設所選壓力表的量程為p，則根據壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型、測量范圍為0~25MPa的電接點壓力表。根據測量誤差要求，所選壓力表的最大允許誤差應滿足要求，故可選精度等級為1.5級的壓力表。2-35．什么叫節(jié)流現象?流體經節(jié)流裝置時為什么會產生靜壓差?解：流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后的管壁，流體的靜壓力產生差異的現象，稱為節(jié)流現象。流體經節(jié)流裝置時，由于節(jié)流裝置前后流體截面的該變，造成流體流速的改變，從而產生節(jié)流裝置前后的壓力差。2-47渦輪流量計的工作原理及特點是什么?解：（1）渦輪流量計的工作原理：流體在管道中流動時使葉輪旋轉，轉速與流體的流速成線性關系，磁電感應轉換器將葉輪的轉速轉換成相應的電脈沖信號，反映流體流速的大小。流速與管道截面的乘積就是流體的流量。（2）渦輪流量計的特點：安裝方便、測量精度高、可耐高壓、反應快、便于遠傳、不受干擾、容易磨損等特點。2-48電磁流量計的工作原理是什么?它對被測介質有什么要求?解電磁流量計的工作原理是基于管道中的導電流體在磁場中流動時切割磁力線而產生感應電動勢的電磁感應原理，流體的流速越大，感應電動勢也越大，感應電動勢與流量成正比。電磁流量計只能用來測量導電液體的流量。2-57什么是液位測量時的零點遷移問題?怎樣進行遷移?其實質是什么?解（1）當被測容器的液位H=0時，差壓液位計所感受的壓差Dp≠0的現象，稱為液位測量時的零點遷移，2-4用熱電偶測溫時，為什么要進行冷端溫度補償?其冷端溫度補償的方法有哪幾種?解：（1）熱電偶的熱電勢只有當T0（或t0）恒定是才是被測溫度T（或t）的單值函數。熱電偶標準分度表是以T0＝0℃為參考溫度條件下測試制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接應用分度表或分度曲線。若T0≠（2）冷端溫度補償的方法有：延長導線法，0℃2-7現用一支鎳鉻-銅鎳熱電偶測某換熱器內的溫度，其冷端溫度為30℃，顯示儀表的機械零位在0℃時，這時指示值為400℃，則認為換熱器內的溫度為430℃對不對?解認為換熱器內的溫度為430℃設換熱器內的溫度為t，實測熱電勢為E(t，30)，根據顯示儀表指示值為400℃，則有E(t，30)=E(400，0)，由中間溫度定律并查鎳鉻-銅鎳（EE(t，0)=E(t，30)+E(30，0)=E(400，0)+E(30，0)=28943+1801=30744mV反查鎳鉻-銅鎳熱電偶分度表，得器內的溫度t=422.52-9．試述熱電阻測溫原理?常用測溫熱電阻有哪幾種?熱電阻的分度號主要有幾種?相應的R0各為多少?解：（1）熱電阻測溫原理：電阻－溫度效應，即大多數金屬導體的電阻值隨溫度而變化的現象。（2）常用測溫熱電阻有：鉑熱電阻和銅熱電阻。（3）鉑熱電阻的分度號主要有：¨Pt100，（R0=100W）；¨Pt50，（R0=50W）；¨Pt1000，（R0=1000W）；等銅熱電阻的分度號主要有：¨Cu100，（R0=100W）；第4章自動控制儀表4-1什么是控制器的控制規(guī)律?控制器有哪些基本控制規(guī)律?解控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號p與輸入信號e之間的關系，即控制器的基本控制規(guī)律有：位式控制（其中以雙位控制比較常用）；比例控制(P)；積分控制(I)；微分控制(D)。4-4何為比例控制器的比例度?一臺DDZ—Ⅱ型液位比例控制器，其液位的測量范圍為0~1.2m，若指示值從0.4m增大到0.6m，比例控制器的輸出相應從5mA增大到7mA，試求控制器的比例度及放大系數。解比例控制器的比例度就是指控制器的輸入變化相對值與相應的輸出變化相對值之比的百分數，用式子表示為：式中e——輸入變化量；p——相應的輸出變化量；——輸入的最大變化量，即儀表的量程；——輸出的最大變化量，即控制器輸出的工作范圍。根據題給條件，該控制器的比例度為對于單元組合儀表，其放大系數為KP=1/d=1/83.3%=120%控制器的輸出變化量p=1.6/80%=2(mA)4-9一臺具有比例積分控制規(guī)律的DDZ—Ⅱ型控制器，其比例度d為200％，穩(wěn)態(tài)時輸出為5mA。在某瞬間，輸入突然變化了0.5mA，經過30s后，輸出由5mA變?yōu)?mA，試問該控制器的積分時間TI為多少?解控制器的放大倍數KP=1/d=1/200%=0.5控制器的輸入變化量為A=0.5mA；控制器的輸出變化量為Dp=6-5=1(mA)，經歷時間t=30s。由得412試寫出比例積分微分（PID）三作用控制規(guī)律的數學表達式。解PID控制器的控制規(guī)律的數學表達式為其中，e—輸入變化量；p—相應的輸出變化量；KP—放大倍數；TI—稱為積分時間；TD—微分時間。4-13試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點。解比例控制規(guī)律的特點是反應快，控制及時；存在余差(有差控制)積分控制規(guī)律的特點是控制動作緩慢，控制不及時；無余差(無差控制)微分控制規(guī)律的特點是控制響應快，故有超前控制之稱；但它的輸出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使數值很大，微分作用也沒有輸出，因而控制結果不能消除偏差，所以不能單獨使用這種控制器，它常與比例或比例積分組合構成比例微分或比例積分微分控制器。第5章執(zhí)行器5-1氣動執(zhí)行器主要由哪兩部分組成?各起什么作用?解氣動執(zhí)行器由執(zhí)行機構和控制機構（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構是執(zhí)行器的推動裝置，它根據輸入控制信號的大小產生相應的推力F和直線位移l，推動控制機構動作，所以它是將控制信號的大小轉換為閥桿位移的裝置；控制機構是執(zhí)行器的控制部分，它直接與操縱介質接觸，控制流體的流量，所以它是將閥桿的位移轉換為流過閥的流量的裝置。5-4試分別說明什么叫控制閥的流量特性和理想流量特性?常用的控制閥理想流量特性有哪些?解控制閥的流量特性是指操縱介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系：式中，相對流量Q/Qmax是控制閥某一開度時流量Q與全開時流量Qmax之比；相對開度l/L是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。在不考慮控制閥前后壓差變化時得到的流量特性稱為理想流量特性。主要有：¨直線流量特性；¨等百分比（對數）流量特性；¨拋物線流量特性；¨快開流量特性等四種。5-7什么叫控制閥的可調范圍?在串、并聯管道中可調范圍為什么會變化?解控制閥的可調范圍（可調比）是其所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin的比值，即在串、并聯管道中，由于分壓和分流作用，可調范圍都會變小。5-8什么是串聯管道中的阻力比s?s值的變化為什么會使理想流量特性發(fā)生畸變?解串聯管道中的阻力比s為s值變化時，管道阻力損失變化，控制閥前后壓差變化，進而影響到流量的變化，即理想流量特性發(fā)生畸變。s=1時，管道阻力損失為零，系統(tǒng)總壓差全降在閥上，工作特性與理想特性一致。隨著s值的減小，直線特性漸漸趨近于快開特性，等百分比特性漸漸接近于直線特性。所以，在實際使用中，一般希望s值不低于0.3，常選s=0.3~0.5。s>0.6時，與理想流量特性相差無幾。5-9什么是并聯管道中的分流比x?試說明x值對控制閥流量特性的影響?解并聯管道中的分流比x為x值變化時，控制閥的流量變化，控制閥所控制的流量與總管的流量產生差異，因此，其理想流量特性將會發(fā)生畸變。x=1時，控制閥的流量就是總管的流量，工作特性與理想特性一致。隨著x值的減小，旁路閥逐漸打開，雖然控制閥的流量特性變化不大，但可調范圍卻降低了。5-11什么叫氣動執(zhí)行器的氣開式與氣關式?其選擇原則是什么?解氣動執(zhí)行器（控制閥）的氣開式為，有壓力控制信號時閥開，無壓力控制信號時閥處于全關；氣關式為，有壓力控制信號時閥關，無壓力控制信號時閥處于全開。氣動執(zhí)行器的氣開式與氣關式的選擇原則是考慮工藝生產的安全，即信號中斷時，應保證設備和工作人員的安全。第6章自動控制系統(tǒng)基本概念6-1自動控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？解自動控制系統(tǒng)主要由檢測變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象等四個環(huán)節(jié)組成。6-3題1-5圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說明圖中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意義。題1-5圖加熱器控制流程圖解PI-307表示就地安裝的壓力指示儀表，工段號為3，儀表序號為07；TRC-303表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號為3，儀表序號為03；FRC-305表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號為3，儀表序號為05。6-5在自動控制系統(tǒng)中，測量變送裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用?解測量變送裝置的功能是測量被控變量的大小并轉化為一種特定的、統(tǒng)一的輸出信號（如氣壓信號或電壓、電流信號等）送往控制器；控制器接受測量變送器送來的信號，與工藝上需要保持的被控變量的設定值相比較得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結果，然后將此結果用特定信號（氣壓或電流）發(fā)送出去執(zhí)行器即控制閥，它能自動地根據控制器送來的信號值來改變閥門的開啟度，從而改變操縱變量的大小。6-8題l-11圖所示為一反應器溫度控制系統(tǒng)示意圖。A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水流量來控制反應器內的溫度不變。試畫出該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖，并指出該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量及可能影響被控變量的干擾是什么?并說明該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。題1-11圖反應器溫度控制系統(tǒng)解該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖題解1-11圖反應器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中，被控對象：反應器；被控變量：反應器內的溫度；操縱變量：冷卻水流量?？赡苡绊懕豢刈兞康母蓴_因素主要有A、B兩種物料的溫度、進料量，冷卻水的壓力、溫度，環(huán)境溫度的高低等。若當反應器內的被控溫度在干擾作用下升高時，其測量值與給定值比較，獲得偏差信號，經溫度控制器運算處理后，輸出控制信號去驅動控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應器內的溫度降下來。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。6-10題1-11圖所示的溫度控制系統(tǒng)中，如果由于進料溫度升高使反應器內的溫度超過給定值，試說明此時該控制系統(tǒng)的工作情況，此時系統(tǒng)是如何通過控制作用來克服干擾作用對被控變量影響的?解：當反應器內的溫度超過給定值（即升高）時，溫度測量元件測出溫度值與給定值比較，溫度控制器TC將比較的偏差經過控制運算后，輸出控制信號使冷卻水閥門開度增大，從而增大冷卻水流量，使反應器內的溫度降下來，這樣克服干擾作用對被控變量影響。6-11按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可分哪幾類?解：按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可以分為以下三類：·定值控制系統(tǒng)——給定值恒定的控制系統(tǒng)?！るS動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）——給定值隨機變化的系統(tǒng)?！こ绦蚩刂葡到y(tǒng)——給定值按一定時間程序變化的系統(tǒng)。6-17某化學反應器工藝規(guī)定操作溫度為(900±10)℃?？紤]安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃?，F設計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如題1-19圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質指標：最大偏差、超調量、衰減比、余差、振蕩周期和過渡時間（被控溫度進入新穩(wěn)態(tài)值的±1%（即900′（±1%）=±9℃題1-19圖溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解最大偏差A=950-900=50（℃）；超調量B=950-908=42（℃）；由于B￠=918-908=10（℃），所以，衰減比n=B:B￠=42:10=4.2；余差C=908-900=8℃振蕩周期T=45-9=36(min)；過渡時間ts=47min。因為A=50℃<80℃，C=8℃6-18題l-20(a)圖是蒸汽加熱器的溫度控制原理圖。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、操縱變量和可能存在的干擾是什么?現因生產需要，要求出口物料溫度從80℃提高到81℃，當儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如題1-20(b)圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質指標：最大偏差、衰減比和余差（提示：該系統(tǒng)為隨動控制系統(tǒng)，新的給定值為題1-20圖蒸汽加熱器溫度控制解蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示。題解1-20圖蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對象是蒸汽加熱器；被控變量是出口物料溫度；操縱變量是蒸汽流量?？赡艽嬖诘母蓴_主要有：進口物料的流量、溫度的變化；加熱蒸汽的壓力、溫度的變化；環(huán)境溫度的變化等。該系統(tǒng)的過渡過程品質指標：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，衰減比n=B:B￠=0.8:0.2=4；余差C=80.7-81=-0.3（℃）。反查K型熱電偶分度表，得tx=246.4第7章簡單控制系統(tǒng)7-2題7-2圖是一反應器溫度控制系統(tǒng)示意圖。試畫出這一系統(tǒng)的方塊圖，并說明各方塊的含義，指出它們具體代表什么?假定該反應器溫度控制系統(tǒng)中，反應器內需維持一定溫度，以利反應進行，但溫度不允許過高，否則有爆炸危險。試確定執(zhí)行器的氣開、氣關型式和控制器的正、反作用。題7-2圖反應器溫度控制系統(tǒng)解該反應器溫度控制系統(tǒng)方塊圖如下圖所示。題解7-2圖反應器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對象是反應器；被控變量是反應器內溫度；操縱變量是蒸汽流量；控制器是溫度控制器TC。根據工藝要求，執(zhí)行器應為氣開型式；蒸汽流量增加時，反應器內溫度升高，被控對象是“正”作用；所以，控制器應為“反”作用。7-15試確定題7-13圖所示兩個系統(tǒng)中執(zhí)行器的正、反作用及控制器的正、反作用。（1）題7-13(a)圖為一加熱器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能過高，否則容易分解；（2）題7-13(b)圖為一冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能太低，否則容易結晶。題7-13圖溫度控制系統(tǒng)解（1）根據工藝要求，題7-13(a)圖所示加熱器出口物料溫度控制系統(tǒng)，執(zhí)行器應為氣開閥；加熱劑流量增加時，加熱器內溫度升高，被控對象是“正”作用，所以，控制器應為“反”作用。（2）根據工藝要求，題7-13(b)圖所示冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，執(zhí)行器應為氣開閥；冷劑流量增加時，冷卻器內溫度降低，被控對象是“反”作用，所以，控制器應為“正”作用。7-16題7-14圖為貯槽液位控制系統(tǒng)，為安全起見，貯槽內液體嚴格禁止溢出，試在下述兩種情況下，分別確定執(zhí)行器的氣開、氣關型式及控制器的正、反作用。（1）選擇流入量Qi為操縱變量；（2）選擇流出量Qo為操縱變量。題7-14圖液位控制解（1）當選擇流入量Qi為操縱變量時，為滿足貯槽內液體嚴格禁止溢出的工藝要求，執(zhí)行器應為氣開閥；由于被控對象是“正”作用，所以，控制器應為“反”作用。（2）當選擇流入量Qo為操縱變量時，為滿足貯槽內液體嚴格禁止溢出的工藝要求，執(zhí)行器應為氣關閥；此時被控對象是“反”作用，所以，控制器應為“反”作用。7-15題7-15圖所示為一鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的示意圖，要求鍋爐不能燒干。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，判斷控制閥的氣開、氣關型式，確定控制器的正、反作用，并簡述當加熱室溫度升高導致蒸汽蒸發(fā)量增加時，該控制系統(tǒng)是如何克服擾動的?題7-15圖鍋爐氣包液位控制系統(tǒng)解該控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示。題解7-15圖鍋爐氣包液位控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對象是鍋爐汽包；被控變量是鍋爐汽包內液位；操縱變量是冷水流量；控制器是溫度控制器LC?？刂崎y應為氣關型式；被控對象是“正”作用，控制器應為“正”作用。當加熱室溫度升高導致蒸汽蒸發(fā)量增加時，汽包內液位下降，控制器LC輸出信號減小，氣關閥開度增大（關?。?，冷水流量增大?？朔鼉纫何唤档?。7-18某控制系統(tǒng)采用DDZ-Ⅲ型控制器，用臨界比例度法整定參數。已測得dk＝30％、Tk＝3min。試確定PI作用和PID作用時控制器的參數。解PI作用時控制器的比例度d=66%，積分時間TI=2.55min。PID作用時控制器的比例度d=51%，積分時間TI=1.5min，微分時間TD=0.375min。第8章復雜控制系統(tǒng)8-5題8-5圖所示為聚合釜溫度控制系統(tǒng)。試問：（1）這是一個