化工儀表及自動(dòng)化課堂例題

1、教材外課堂例題（注：部分例題不需要掌握，所以未列出）1.某臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力范圍為2528MPa，測(cè)量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察，并能高低限報(bào)警，試正確選用一臺(tái)壓力表，指出型號(hào)、精度與測(cè)量范圍。 解由于往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力脈動(dòng)較大，所以選擇儀表的上限值為 根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報(bào)警的要求，由本章附錄，可查得選用YX-150型電接點(diǎn)壓力表，測(cè)量范圍為060MPa。 由于 ，故被測(cè)壓力的最小值不低于滿(mǎn)量程的 1/3，這是允許的。另外，根據(jù)測(cè)量誤差的要求，可算得允許誤差為 所以，精度等級(jí)為1.5級(jí)的儀表完全可以滿(mǎn)足誤差要求。至此，可以確定，選擇的壓力表為YX-150型電接點(diǎn)

2、壓力表，測(cè)量范圍為060MPa，精度等級(jí)為1.5級(jí)。 2. 如果某反應(yīng)器最大壓力為0.6MPa，允許最大絕對(duì)誤差為±0.02MPa?，F(xiàn)用一臺(tái)測(cè)量范圍為01.6MPa，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表來(lái)進(jìn)行測(cè)量，問(wèn)能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺(tái)測(cè)量范圍為01.0MPa，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，問(wèn)能符合誤差要求嗎？試說(shuō)明其理由。 解：對(duì)于測(cè)量范圍為01.6MPa，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，允許的最大絕對(duì)誤差為 1.6×1.5% = 0.024(MPa)因?yàn)榇藬?shù)值超過(guò)了工藝上允許的最大絕對(duì)誤差數(shù)值,所以是不合格的。對(duì)于測(cè)量范圍為01.0MPa，準(zhǔn)確度亦為1.5級(jí)的壓力表,允許的最

3、大絕對(duì)誤差為 1.0×1.5% = 0.015(MPa) 因?yàn)榇藬?shù)值小于工藝上允許的最大絕對(duì)誤差,故符合對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求,可以采用。1.某差壓式流量計(jì)的流量刻度上限為320m3/h ,差壓上限2500Pa。當(dāng)儀表指針指在160m3/h時(shí),求相應(yīng)的差壓是多少 (流量計(jì)不帶開(kāi)方器)? 解：由流量基本方程式可知 流量是與差壓的平方根成正比的。當(dāng)測(cè)量的所有條件都不變時(shí),可以認(rèn)為式中的、F0、1均為不變的數(shù)。如果假定上題中的 Q1 = 320m3/h ;p1 = 2500Pa ; Q2 = 160m3/h ;所求的差壓為p2 ,則存在下述關(guān)系由此得代入上述數(shù)據(jù),得 2.通常認(rèn)為差壓式流量計(jì)是

4、屬于定節(jié)流面積變壓降式流量計(jì),而轉(zhuǎn)子流量計(jì)是屬于變節(jié)流面積定壓降式流量計(jì),為什么? 解：差壓式流量計(jì)在工作過(guò)程中,只要節(jié)流元件結(jié)構(gòu)已定,則其尺寸是不變的,因此它是屬于定節(jié)流面積的。當(dāng)流量變化時(shí),在節(jié)流元件兩側(cè)的壓降也隨之而改變,差壓式流量計(jì)就是根據(jù)這個(gè)壓降的變化來(lái)測(cè)量流量的,因此是屬于變壓降式的。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)在工作過(guò)程中轉(zhuǎn)子是隨著流量變化而上下移動(dòng)的,由于錐形管上部的直徑較下部的大,所以轉(zhuǎn)子在錐形管內(nèi)上下移動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子與錐形管間的環(huán)隙是變化的,即流體流通面積是變化的,因此它是屬于變節(jié)流面積的。由于轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中截面積不變,重力也不變,而轉(zhuǎn)子兩端的靜壓差作用于轉(zhuǎn)子上的力恒等于轉(zhuǎn)子的重力,轉(zhuǎn)子才能

5、平衡在一定的高度上,所以在工作過(guò)程中,盡管轉(zhuǎn)子隨著流量的變化上下移動(dòng),但作用在轉(zhuǎn)子兩側(cè)的靜壓差卻是恒定不變的,所以它是屬于定壓降式流量計(jì)。 1.用一臺(tái)雙法蘭式差壓變送器測(cè)量某容器的液位,如圖所示。已知被測(cè)液位的變化范圍為03m,被測(cè)介質(zhì)密度=900kg/m3 ,毛細(xì)管內(nèi)工作介質(zhì)密度0=950kg/m3。變送器的安裝尺寸為 h1=1m, h2=4m。求變送器的測(cè)量范圍,并判斷零點(diǎn)遷移方向,計(jì)算遷移量,當(dāng)法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時(shí),問(wèn)對(duì)測(cè)量有何影響? 圖 法蘭式差壓變送器測(cè)液位解：當(dāng)不考慮遷移量時(shí),變送器的測(cè)量范圍應(yīng)根據(jù)液位的最大變化范圍來(lái)計(jì)算。 液位為3m時(shí),其壓差為 所以液柱壓力用

6、Hg計(jì)算時(shí),只要H用m,用kg/m3，g用m/s2為單位時(shí),相乘結(jié)果的單位就是Pa。上述計(jì)算結(jié)果pmax為26.487kPa,經(jīng)過(guò)圓整后,測(cè)量范圍可選030kPa。 根據(jù)圖示,當(dāng)液位高度為H時(shí),差壓變送器正壓室所受的壓力p1為 負(fù)壓室所受的壓力p2為因此，差壓變送器所受的壓差為由上式可知,該差壓變送器應(yīng)進(jìn)行負(fù)遷移,其遷移量為 h20g。 當(dāng)差壓變送器安裝的高度改變時(shí),只要兩個(gè)取壓法蘭間的尺寸h2不變,其遷移量不變。3.如果用兩支鉑銠10-鉑熱電偶串聯(lián)來(lái)測(cè)量爐溫,連接方式分別如圖(a)、(b)、(c)所示。已知爐內(nèi)溫度均勻,最高溫度為1000,試分別計(jì)算測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍 (以最大毫伏數(shù)表示)。

7、 解: (a)由于這時(shí)熱電偶的冷端均為0,每支熱電偶對(duì)應(yīng)于1000時(shí)的熱電勢(shì)可以查得 E(1000 ,0) = 9. 585 (mV) 兩支熱電偶串聯(lián),測(cè)量?jī)x表所測(cè)信號(hào)的最大值為 Emax = 2×9.585 = 19.17 (mV) 根據(jù)這個(gè)數(shù)值可以確定儀表的測(cè)量范圍。 (b)由于這時(shí)不僅要考慮補(bǔ)償導(dǎo)線引出來(lái)以后的冷端溫度(30),而且要考慮爐旁邊補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的接線盒內(nèi)的溫度(100)對(duì)熱電勢(shì)的影響。假定補(bǔ)償導(dǎo)線 C、D與熱電偶 A、B本身在100以下的熱電特性是相同的,所以在冷端處形成的熱電勢(shì)為E(30 ,0) = 0.173 (mV) 在補(bǔ)償導(dǎo)線C、D與熱電偶的連接處1、4

8、兩點(diǎn)可以認(rèn)為不產(chǎn)生熱電勢(shì),但在接線盒內(nèi)2、3兩點(diǎn)形成的熱電偶相當(dāng)于熱電偶在100時(shí)形成的熱電勢(shì),即E(100 ,0) = 0.645 (mV) 由于該電勢(shì)的方向與兩支熱電偶在熱端產(chǎn)生的電勢(shì)方向是相反的,所以這時(shí)總的熱電勢(shì)為E max = 2E(1000 ,0) - E(100 ,0) - E(30 ,0) = 2×9.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)根據(jù)這個(gè)數(shù)值可以確定儀表的測(cè)量范圍。 (c)由于這時(shí)兩支熱電偶冷端都用補(bǔ)償導(dǎo)線引至遠(yuǎn)離爐子處,冷端溫度為30,故總的熱電勢(shì)為Emax = 2E(1000 ,0) - 2E(30 ,0) = 2×

9、9.585 - 2×0.173 = 18.824 (mV)4.在上題所述三種情況時(shí),如果由測(cè)量?jī)x表得到的信號(hào)都是15mV,試分別計(jì)算這時(shí)爐子的實(shí)際溫度。 解：在(a)情況時(shí),由于2E(t,0) =15mV,即E(t,0) = 7.5mV,查表可得實(shí)際溫度約為814.3。 在(b)情況時(shí),由于 2E(t,0) = 15 + E(30 ,0) + E(100 ,0) =15 + 0.173 + 0.645 = 15. 818 (mV)E(t,0) = 7. 909 ( mV)查表可得實(shí)際溫度約為851.2。 在(c)情況時(shí),由于2E(t,0) = 15 + 2E(30 ,0) = 15

10、+ 2×0. 173 = 15.346 (mV) 即 E(t,0) = 7. 673 (mV) 查表可得實(shí)際溫度約為830。2. 圖4-7是自動(dòng)平衡電橋的工作原理圖。請(qǐng)問(wèn)在下列情況時(shí),儀表的指針 (即滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置)、起點(diǎn)溫度、儀表量程會(huì)如何變化?簡(jiǎn)述其原因? (1)溫度升高；(2)儀表停電; (3)加大R6； (4)減小R5；(5)電阻體被燒斷。 解：(1)當(dāng)溫度升高時(shí),滑動(dòng)觸點(diǎn)將向右移動(dòng),這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高后,Rt增加,只有滑動(dòng)觸點(diǎn)向右移,使與Rt串聯(lián)的這個(gè)橋臂的電阻值減小,才能使電橋達(dá)到新的平衡。 (2)儀表停電時(shí),指針隨撥隨停,因?yàn)榇藭r(shí)放大器的輸入與輸出均沒(méi)有信號(hào),可逆電機(jī)不

11、可能自行轉(zhuǎn)動(dòng)。 (3)加大R6,滑動(dòng)觸點(diǎn)將向右移動(dòng),這是因?yàn)镽6增加,會(huì)使與Rt串聯(lián)的這個(gè)橋臂的電阻值增加,只有滑動(dòng)觸點(diǎn)右移,才能使這個(gè)橋臂的電阻值恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值,電橋恢復(fù)平衡。 若其他電阻值都不變,增加R6會(huì)使起點(diǎn)溫度降低,這是因?yàn)榛瑒?dòng)觸點(diǎn)移至最左端時(shí),代表的是起始溫度,這時(shí)要使電橋平衡,Rt必然要小一些,以抵消增加R6對(duì)整個(gè)橋臂電阻值的影響。Rt小,就表示這時(shí)的起點(diǎn)溫度降低。(4)減小R5,量程會(huì)降低,這是因?yàn)镽5減小,滑線電阻組件的等效電阻值減小,使滑動(dòng)觸點(diǎn)由最左端移到最右端的電位差變小,故量程減小。(5)電阻體被燒斷,滑動(dòng)觸點(diǎn)將移向最右端,這是因?yàn)殡娮梵w燒斷后,Rt趨于無(wú)窮大,放大器

12、始終有一個(gè)正的電位輸入,可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直至滑向最右端指針被擋住為止。 1. 一只比例作用的電動(dòng)溫度控制器,它的量程是 100200,電動(dòng)控制器的輸出是010mA ,假如當(dāng)指示值從140變化到160時(shí),相應(yīng)的控制器輸出從3mA變化到8mA ,這時(shí)的比例度為？2. 對(duì)一臺(tái)比例積分控制器作開(kāi)環(huán)試驗(yàn)。已知KC=2，TI= 0.5min。若輸入偏差如圖所示,試畫(huà)出該控制器的輸出信號(hào)變化曲線。 圖1 輸入偏差信號(hào)變化曲線解：對(duì)于PI控制器,其輸入輸出的關(guān)系式為將輸出分為比例和積分兩部分,分別畫(huà)出后再疊加就得到PI控制器的輸出波形。比例部分的輸出為當(dāng)KC = 2時(shí),輸出波形如圖2(a)所示。積分部分的輸出為

13、當(dāng)KC = 2 , TI = 0. 5min時(shí)在t=01min期間,由于e=0 ,故輸出為0。在t=13min期間,由于e=1,所以t=3min時(shí),其輸出 在t=34min期間,由于e=-2,故t=4min時(shí),其積分總輸出 故pI輸出波形如圖2 (b)所示。 將圖2(a)、(b)曲線疊加,便可得到PI控制器的輸出,如圖2 (c)所示。 圖2 輸出曲線圖1. 在生產(chǎn)實(shí)際中,由于生產(chǎn)負(fù)荷的變動(dòng),使原設(shè)計(jì)的控制閥尺寸不能相適應(yīng),會(huì)有什么后果?為什么?解：當(dāng)生產(chǎn)中由于負(fù)荷增加,使原設(shè)計(jì)的控制閥尺寸顯得太小時(shí),會(huì)使控制閥經(jīng)常工作在大開(kāi)度,調(diào)節(jié)效果不好。此時(shí)若開(kāi)啟旁路閥,會(huì)使控制閥特性發(fā)生畸變,可調(diào)范圍大

14、大降低; 當(dāng)生產(chǎn)中由于負(fù)荷減少,使原設(shè)計(jì)的控制閥尺寸顯得太大時(shí),會(huì)使控制閥經(jīng)常工作在小開(kāi)度,調(diào)節(jié)顯得過(guò)于靈敏 (特別是對(duì)于直線流量特性的控制閥) ,控制閥有時(shí)會(huì)振動(dòng),產(chǎn)生噪聲,嚴(yán)重時(shí)發(fā)出尖叫聲。 此時(shí)，為了增加管路阻力,有時(shí)會(huì)適當(dāng)關(guān)小與控制閥串聯(lián)的工藝閥門(mén),但這樣做的結(jié)果會(huì)使控制閥的特性發(fā)生嚴(yán)重畸變,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使控制閥失去調(diào)節(jié)作用。 所以當(dāng)生產(chǎn)中負(fù)荷有較大改動(dòng)時(shí),在可能的條件下,應(yīng)相應(yīng)地更換控制閥,或采用其他控制方案 。 1.如圖所示為一水箱的液位控制系統(tǒng)。試畫(huà)出其方塊圖,指出系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量、操縱變量各是什么?簡(jiǎn)要敘述其工作過(guò)程,說(shuō)明帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中的功能。 圖 水箱液

15、位控制系統(tǒng)解：系統(tǒng)中水箱里水的液位為被控變量;進(jìn)水流量為操縱變量;水箱為被控對(duì)象。帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中起著測(cè)量與調(diào)節(jié)的功能。其工作過(guò)程如下：當(dāng)水箱中的液位受到擾動(dòng)變化后,使浮球上下移動(dòng),通過(guò)杠桿裝置帶動(dòng)塞子移動(dòng),使進(jìn)水量發(fā)生變化,從而克服擾動(dòng)對(duì)液位的影響。例如由于擾動(dòng)使液位上升時(shí),浮球上升,帶動(dòng)塞子上移,減少了進(jìn)水量,從而使液位下降。 2.某一電壓表在穩(wěn)定時(shí)能夠準(zhǔn)確顯示被測(cè)電壓值。在被測(cè)電壓突然變化時(shí),指針來(lái)回?cái)[動(dòng),最后能夠穩(wěn)定在被測(cè)數(shù)值上。假定指示系統(tǒng)的衰減比為4:1。當(dāng)電壓突然由0上升到220V后,指針最高能擺到252V。問(wèn)經(jīng)三次擺動(dòng),指針能到多少伏 (即第三個(gè)波峰值)。 解：由于第一個(gè)波峰離開(kāi)穩(wěn)態(tài)值為252 - 220 = 32 (V)第二個(gè)波峰值為第一個(gè)波峰值的1/4，故為32×1/4 = 8 (V) 第三個(gè)波峰值為第二個(gè)波峰值的1/4 ，故為8×1/4 = 2 (V) 所以指針第三次擺動(dòng)的最