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。
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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=36 min
1-20、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
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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2 min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。 解：5
dy(t+2)dt
2-12、如图所示的RC电路中，已知R=5Ω，C=2000μF。试画出????突然由0V阶跃变化到5V时的????变化曲线，并计算出t=T、t=2T、t=3T时的????值 解：根据基尔霍定律得： ei=iR+e0(t),其中i=C∴RC
de0dt
?
tT
+yτ(t+2)=10χ(t)
de0dt
+e0=ei ∴e0(t)= ei(1-e)=5(1-e) T=RC=10s
?
tT
e0(T)=3.16V e0(2T)=4.32V e0(3T)=4.75V
2-13、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0.1????/??，试画出水槽液位△h的变化曲线。 解：
由△Qt=△hA 得△h=
3-5、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/℃ 0 200 400 600 700 800 900 1000 被校表计数/℃ 0 201 402 604 706 805 903 1001 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；
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
△QA
t=0.2t m
×100%=
6
1000
×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0~10 MPa，经校验得出下表数据。 标准表读数/ MPa 0 2 4 6 8 10 被校表正行程读数/ MPa 0 1.98 3.96 5.94 7.97 9.99 被校表反行程读数/ 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：
升降变差：△max=6.06-5.94=0.12 MPa
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δmax=
0.1210
×100%=1.2>1.0% ∴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0~1 MPa，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0.5 MPa时，标准压力计上读数为0.508 MPa，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%=0.01 MPa δmax=
0.508?0.5
1
×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0.8 MPa，允许最大绝对误差为0.01 MPa。现用一台测量范围为0~1.0 MPa，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0~1.0 MPa，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%=0.01 6 MPa>0.01 MPa ∴该压力表不符合要求 △max=1.0×1.0%=0.01 MPa=0.01 MPa ∴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1.1~1.6 MPa，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：∵P max≤A ∴A≥2.13 MPa △max=1.1×±5%=0.055 MPa
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∵P min≥A ∴A≤3.3 MPa ∴选用量程为0~2.5 MPa的压力表 3-19、某合成氨厂合成塔压力控制指标为14 MPa，要求误差不得超过0.4 MPa，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 ∴P max≤A ∴A≥14×=23.3 MPa 根据量程系列选
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3
3
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P min≥A ∴A≤14×3=42 MPa 用0~25 MPa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0~1.6 MPa，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/ MPa 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 被校表正行程读数/ MPa 0.000 0.385 0.790 1.210 1.595 被校表反行程读数/ MPa 0.000 0.405 0.810 1.215 1.595 4
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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0.8~1.0 MPa的绝对误差不允许大于0.05 MPa）？ 解：δmax=
0.021.6?0
×100%=1.25% ∴ 根据精度等级选择1.5级仪表,合格。
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△max=1.6×1.5%=0.024 MPa<0.05 MPa A≥1.0×=1.3 MPa A≤0.8×3=2.4 MPa ∴所选压力表量程为~0.6 MPa，符合要求 δ=±1.5%×1.6=±0.024<0.05 ∴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)+ P0 P2=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4 mA 当H=Hmax时，将变送器的输出值调回20 mA
3-54、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）=20 mV 查表得EAB（25，0）=1.0005 mV ∴EAB（T，0）=EAB（T，25）+EAB（25，0）=20+1.0005=21.0005 mV (2) EAB（T，0）=EAB（T，25）+EAB（25，0） ∴EAB（T，25）=37683.4-1496.5 uV=36.1869 uV
3-59、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=30744 uV 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
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