化工儀表及自動化課堂例題

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

2、壓力表，測量范圍為060MPa，精度等級為1.5級。 2. 如果某反應器最大壓力為0.6MPa，允許最大絕對誤差為±0.02MPa。現(xiàn)用一臺測量范圍為01.6MPa，準確度為1.5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01.0MPa，準確度為1.5級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說明其理由。 解：對于測量范圍為01.6MPa，準確度為1.5級的壓力表，允許的最大絕對誤差為 1.6×1.5% = 0.024(MPa)因為此數(shù)值超過了工藝上允許的最大絕對誤差數(shù)值,所以是不合格的。對于測量范圍為01.0MPa，準確度亦為1.5級的壓力表,允許的最

3、大絕對誤差為 1.0×1.5% = 0.015(MPa) 因為此數(shù)值小于工藝上允許的最大絕對誤差,故符合對測量準確度的要求,可以采用。1.某差壓式流量計的流量刻度上限為320m3/h ,差壓上限2500Pa。當儀表指針指在160m3/h時,求相應的差壓是多少 (流量計不帶開方器)? 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。當測量的所有條件都不變時,可以認為式中的、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 ,則存在下述關系由此得代入上述數(shù)據(jù),得 2.通常認為差壓式流量計是

4、屬于定節(jié)流面積變壓降式流量計,而轉(zhuǎn)子流量計是屬于變節(jié)流面積定壓降式流量計,為什么? 解：差壓式流量計在工作過程中,只要節(jié)流元件結構已定,則其尺寸是不變的,因此它是屬于定節(jié)流面積的。當流量變化時,在節(jié)流元件兩側(cè)的壓降也隨之而改變,差壓式流量計就是根據(jù)這個壓降的變化來測量流量的,因此是屬于變壓降式的。 轉(zhuǎn)子流量計在工作過程中轉(zhuǎn)子是隨著流量變化而上下移動的,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)上下移動時,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,所以在工作過程中,盡管轉(zhuǎn)子隨著流量的變化上下移動,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。 1.用一臺雙法蘭式差壓變送器測量某容器的液位,如圖所示。已知被測液位的變化范圍為03m,被測介質(zhì)密度=900kg/m3 ,毛細管內(nèi)工作介質(zhì)密度0=950kg/m3。變送器的安裝尺寸為 h1=1m, h2=4m。求變送器的測量范圍,并判斷零點遷移方向,計算遷移量,當法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時,問對測量有何影響? 圖 法蘭式差壓變送器測液位解：當不考慮遷移量時,變送器的測量范圍應根據(jù)液位的最大變化范圍來計算。 液位為3m時,其壓差為 所以液柱壓力用

6、Hg計算時,只要H用m,用kg/m3，g用m/s2為單位時,相乘結果的單位就是Pa。上述計算結果pmax為26.487kPa,經(jīng)過圓整后,測量范圍可選030kPa。 根據(jù)圖示,當液位高度為H時,差壓變送器正壓室所受的壓力p1為 負壓室所受的壓力p2為因此，差壓變送器所受的壓差為由上式可知,該差壓變送器應進行負遷移,其遷移量為 h20g。 當差壓變送器安裝的高度改變時,只要兩個取壓法蘭間的尺寸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)來測量爐溫,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,試分別計算測量儀表的測量范圍 (以最大毫伏數(shù)表示)。

7、 解: (a)由于這時熱電偶的冷端均為0,每支熱電偶對應于1000時的熱電勢可以查得 E(1000 ,0) = 9. 585 (mV) 兩支熱電偶串聯(lián),測量儀表所測信號的最大值為 Emax = 2×9.585 = 19.17 (mV) 根據(jù)這個數(shù)值可以確定儀表的測量范圍。 (b)由于這時不僅要考慮補償導線引出來以后的冷端溫度(30),而且要考慮爐旁邊補償導線與熱電偶的接線盒內(nèi)的溫度(100)對熱電勢的影響。假定補償導線 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為E(30 ,0) = 0.173 (mV) 在補償導線C、D與熱電偶的連接處1、4

8、兩點可以認為不產(chǎn)生熱電勢,但在接線盒內(nèi)2、3兩點形成的熱電偶相當于熱電偶在100時形成的熱電勢,即E(100 ,0) = 0.645 (mV) 由于該電勢的方向與兩支熱電偶在熱端產(chǎn)生的電勢方向是相反的,所以這時總的熱電勢為E max = 2E(1000 ,0) - E(100 ,0) - E(30 ,0) = 2×9.585 - 0.645 - 0.173 = 18.352 (mV)根據(jù)這個數(shù)值可以確定儀表的測量范圍。 (c)由于這時兩支熱電偶冷端都用補償導線引至遠離爐子處,冷端溫度為30,故總的熱電勢為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,如果由測量儀表得到的信號都是15mV,試分別計算這時爐子的實際溫度。 解：在(a)情況時,由于2E(t,0) =15mV,即E(t,0) = 7.5mV,查表可得實際溫度約為814.3。 在(b)情況時,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)查表可得實際溫度約為851.2。 在(c)情況時,由于2E(t,0) = 15 + 2E(30 ,0) = 15

10、+ 2×0. 173 = 15.346 (mV) 即 E(t,0) = 7. 673 (mV) 查表可得實際溫度約為830。2. 圖4-7是自動平衡電橋的工作原理圖。請問在下列情況時,儀表的指針 (即滑動觸點的位置)、起點溫度、儀表量程會如何變化?簡述其原因? (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)當溫度升高時,滑動觸點將向右移動,這是因為當溫度升高后,Rt增加,只有滑動觸點向右移,使與Rt串聯(lián)的這個橋臂的電阻值減小,才能使電橋達到新的平衡。 (2)儀表停電時,指針隨撥隨停,因為此時放大器的輸入與輸出均沒有信號,可逆電機不

11、可能自行轉(zhuǎn)動。 (3)加大R6,滑動觸點將向右移動,這是因為R6增加,會使與Rt串聯(lián)的這個橋臂的電阻值增加,只有滑動觸點右移,才能使這個橋臂的電阻值恢復到原來的數(shù)值,電橋恢復平衡。 若其他電阻值都不變,增加R6會使起點溫度降低,這是因為滑動觸點移至最左端時,代表的是起始溫度,這時要使電橋平衡,Rt必然要小一些,以抵消增加R6對整個橋臂電阻值的影響。Rt小,就表示這時的起點溫度降低。(4)減小R5,量程會降低,這是因為R5減小,滑線電阻組件的等效電阻值減小,使滑動觸點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,滑動觸點將移向最右端,這是因為電阻體燒斷后,Rt趨于無窮大,放大器

12、始終有一個正的電位輸入,可逆電機轉(zhuǎn)動,直至滑向最右端指針被擋住為止。 1. 一只比例作用的電動溫度控制器,它的量程是 100200,電動控制器的輸出是010mA ,假如當指示值從140變化到160時,相應的控制器輸出從3mA變化到8mA ,這時的比例度為？2. 對一臺比例積分控制器作開環(huán)試驗。已知KC=2，TI= 0.5min。若輸入偏差如圖所示,試畫出該控制器的輸出信號變化曲線。 圖1 輸入偏差信號變化曲線解：對于PI控制器,其輸入輸出的關系式為將輸出分為比例和積分兩部分,分別畫出后再疊加就得到PI控制器的輸出波形。比例部分的輸出為當KC = 2時,輸出波形如圖2(a)所示。積分部分的輸出為

13、當KC = 2 , TI = 0. 5min時在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,其輸出 在t=34min期間,由于e=-2,故t=4min時,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)實際中,由于生產(chǎn)負荷的變動,使原設計的控制閥尺寸不能相適應,會有什么后果?為什么?解：當生產(chǎn)中由于負荷增加,使原設計的控制閥尺寸顯得太小時,會使控制閥經(jīng)常工作在大開度,調(diào)節(jié)效果不好。此時若開啟旁路閥,會使控制閥特性發(fā)生畸變,可調(diào)范圍大

14、大降低; 當生產(chǎn)中由于負荷減少,使原設計的控制閥尺寸顯得太大時,會使控制閥經(jīng)常工作在小開度,調(diào)節(jié)顯得過于靈敏 (特別是對于直線流量特性的控制閥) ,控制閥有時會振動,產(chǎn)生噪聲,嚴重時發(fā)出尖叫聲。 此時，為了增加管路阻力,有時會適當關小與控制閥串聯(lián)的工藝閥門,但這樣做的結果會使控制閥的特性發(fā)生嚴重畸變,嚴重時會使控制閥失去調(diào)節(jié)作用。 所以當生產(chǎn)中負荷有較大改動時,在可能的條件下,應相應地更換控制閥,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)。試畫出其方塊圖,指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量各是什么?簡要敘述其工作過程,說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;進水流量為操縱變量;水箱為被控對象。帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中起著測量與調(diào)節(jié)的功能。其工作過程如下：當水箱中的液位受到擾動變化后,使浮球上下移動,通過杠桿裝置帶動塞子移動,使進水量發(fā)生變化,從而克服擾動對液位的影響。例如由于擾動使液位上升時,浮球上升,帶動塞子上移,減少了進水量,從而使液位下降。 2.某一電壓表在穩(wěn)定時能夠準確顯示被測電壓值。在被測電壓突然變化時,指針來回擺動,最后能夠穩(wěn)定在被測數(shù)值上。假定指示系統(tǒng)的衰減比為4:1。當電壓突然由0上升到220V后,指針最高能擺到252V。問經(jīng)三次擺動,指針能到多少伏 (即第三個波峰值)。 解：由于第一個波峰離開穩(wěn)態(tài)值為252 - 220 = 32 (V)第二個波峰值為第一個波峰值的1/4，故為32×1/4 = 8 (V) 第三個波峰值為第二個波峰值的1/4 ，故為8×1/4 = 2 (V) 所以指針第三次擺動的最