化工仪表总复习题.docx
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化工仪表总复习题
《化工仪表及自动化》复习指导
第3章习题解
1、某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1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改压力表，在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校验压力表在这一点是否符合1.0级准确度？
为什么？
答：
允许最大误差Δ允max=±（1-0）×1%=±0.01MPa，在校验点0.5MPa时，绝对误差为Δ=0.508-0.5=0.008MPa，小于允许最大误差，在这点符合1级精度。
5、现有一只测量范围为0~1.6MPa，精度1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为
正行程
反行程
被校表读数/MPa
0.00.40.81.21.6
1.61.20.80.40.0
标准表读数/MPa
0.0000.3850.7901.2101.595
1.5951.2151.8100.4050.000
试问这只表和个否？
它能否应用于某空气储罐的压力测量？
该储罐工作压力为0.8~1.0MPa，测量的绝对误差不允许大于0.05MPa。
答：
要求最大绝对误差、最大变差都要符合。
表允许误差±1.6×1.5%=0.024MPa，而最大绝对误差1.215-1.2=0.015MPa，最大变差0.405-0.385=0.02MPa，符合精度要求，表合格。
又1.6×2/3>1.0MPa，（1.6-0）×1/3<0.8MPa，表误差符合工艺要求（0.05MPa），表可用。
6、（书中习题）测量高温液体……要不要迁移？
如要迁移，迁移量应如何考虑？
解：
当H=0时，
所以，要负迁移，迁移量为
7、用K热电偶测某设备的温度，测得热电势为20mV，冷端为25℃，求设备温度？
如改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，测得的热电势为多少？
解：
已知E（t，t0）=20mV，t0=25℃，查附表E（t0，0）=1mV
E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）=20+1=21mV
反查附表，得t=508℃
采用E热电偶，测得的热电势为
E（t，t0）=E（t，0）-E（t0，0）=37.8-1.5=36.3mV
8、现用一支E热电偶测温，其冷端温度为30℃，动圈显示仪表（机械零位在0℃）指示值为400℃，则认为热端实际温度为430℃对不对？
为什么？
正确值为多少？
解：
已知t0=30℃，动圈式显示仪表指示值对应的热电势实际上为E（t，t0），即
E（t，t0）=E（400，0）=28.943mV
所以，E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）=28.943+1.801=30.744mV
查表得，实际温度为t=422℃（在420~430之间线性插值，422.46）
习题二
7．弹性压力表有哪些弹性元件?
各有什么用途?
答弹性压力表是压力测量中最广泛应用的一种仪表，它是根据各种弹性元件在被测介质压力作用下产生弹性变形的大小来测量压力的。
常用的弹性元件’有下列六种：
单圈弹簧管、多圈弹簧管、（以上两种是测高压、中压、低压用的）、波纹膜片、膜盒、挠性膜片、波纹管（上述四种是测微压和低压用的）。
8．试述弹簧管压力表的基本工作原理。
答弹簧管压力表是利用弹簧管在正压或负压的作用下，自由端产生位移，带动传动机构使指针偏转，从而指示出压力值的。
15．什么是节流现象?
标准的节流体有哪几种?
应用最广泛的是哪种?
答流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。
标准的节流件有三种：
标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。
应用最广泛的是标准孔板。
它已有100多年的历史，至今它是世界上应用最广，最成熟，测量较准确的测量工具。
20．根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型?
它们的工作原理各是什么?
答按其工作原理主要有下列几种类型。
（1）直读式物位仪表这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
它们是利用连通器的原理工作的。
（2）差压式物位仪表这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。
它们是利用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。
（3）浮力式物位仪表这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。
它们是利用浮子的高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。
（4）电磁式物位仪表这类仪表可分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式等几种。
它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。
另外，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
（5）核辐射式物位仪表这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是7射线。
（6）声波式物位仪表这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。
它们的原理是：
由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可以测知物位。
（7）光学式物位仪表这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。
它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。
21．什么是液位测量时的零点迁移问题?
怎样进行迁移?
其实质是什么?
答在使用差压变送器测量液位时，一般压差
与液位高度H之间的关系为：
=
。
这就是一般的“无迁移”的情况。
当H＝o时，作用在正、负压室的压力是相等的。
实际应用中，有时为防止容器内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。
如图2—1所示。
设被测介质密度为
，隔离液密度为
：
（通常
），此时正、负压室的压力分别为：
正负压室间的压差为：
当H=0时，
，此为“有迁移”情况。
若采用的是DDZ—Ⅲ型差压变送器，其输出范围为4～20mA的电流信号。
“无迁移”时，
H＝0，
＝0，变送器输出
＝4mA；
。
“有迁移”时，H＝0，
为了使液位的零值与满量程能与变送器输出的上、下限值相对应，即在“有迁移”情况下，使得当H＝0时，
。
可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差
的作用，此为“零点迁移”方法。
这里迁移弹簧的作用，其实质就是改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。
22.试述温度测量仪表的种类。
各使用在什么场合？
答按照测量方式的不同，温度测量仪表可以分为接触式与非接触式两类。
前者测温元件直接与被测介质接触，这样可以使被测介质与测温元件进行充分的热交换而达到测温目的。
后者测温元件与被测介质不相接触，通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的。
接触法测温时，直接测得被测物体的温度，因而简单、可靠、测量精度高。
但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，因而产生了测温的滞后现象，对运动状态的固体测温困难较大。
另外，测温元件容易破坏被测对象温度场，且有可能与被测介质产生化学反应。
由于受到耐高温材料的限制，也不能应用于很高的温度测量。
非接触法只能测得被测物体的表观温度（亮度温度、辐射温度、比色温度等），一般情况下，要通过对被测物体表面发射率修正后才能得到真实温度。
而且，这种方法受到被测物体到仪表之间的距离以及辐射通道上的水气、烟雾、尘埃等其它介质的影响，因此测量精度较低。
非接触法测量在原理上不受温度上限的限制，因而测量范围很广，由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，可以用来测量运动物体的表面温度。
23．热电偶温度计为什么可以用来测量温度?
它由哪几部分组成?
各部分有何作用?
答热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。
热电偶温度计由三部分组成：
热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。
热电偶是系统中的测温元件，测量仪表是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以
采用动圈式仪表或电位差计，导线用来连接热电偶与测量仪表。
为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。
24．常用的热电偶有哪几种?
所配用的补偿导线是什么?
为什么要使用补偿导线?
并说明使用补偿导线时要注意哪几点?
答工业上常用的热电偶有如下几种：
铂铑—铂铑—热电偶（也称双铂铑热电偶）；铂铑—铂热电偶；镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶；镍铬—康铜（镍铬—铜镍）热电偶。
由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。
在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。
当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。
解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。
在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。
25．用热电偶测温时，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?
答采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是o℃。
而工业上常用的各种热电偶的温度—热电势关系曲线是在冷端温度保持为o℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于o℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。
因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为o℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。
这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
冷端温度补偿的方法有以下几种：
（1）冷端温度保持为o℃的方法，
（2）冷端温度修正方法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。
26．试述热电阻测温原理?
常用热电阻的种类?
各为多少?
答热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，其电阻值与温度关系如下：
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化，只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。
工业上常用的热电阻有以下几种：
铂电阻（WZP为新型号，WZB为旧型号）；铜电阻（WZC为新型号WZG为旧型号）。
目前工业上使用的铂电阻有两种：
一种是
=10
（
是指温度为
时的电阻值）；另外一种是
=100
。
工业上使用的铜电阻也有两种：
一种是
=50
；另一种是
=100
。
习题一
1.简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？
被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
2.自动控制系统按其基本结构形式可分为几类?
其中闭环系统中按设定值的不同形式又可分为几种?
简述每种形式的基本含义.
答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统.
闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制.如图1-1（a）即是一个闭环自动控制.图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号,并与设定值相比较得到偏差的大小和方向,调整蒸汽阀门的开度,改变蒸汽流量,使热物料出口温度回到设定值上.从图1-1（b）所示的控制系统方块图可以清楚看出,操纵变量（蒸汽流量）通过被控对象去影响被控变量,而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量.从信号传递关系上看,构成一个闭合回路.
控制器
执行器
对象
测量变送
扰动
被控变量
设定值
（b）
图1-1闭环自动控制基本结构
在闭环控制系统中,按照设定值的不同形式又可分为:
（1）定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.
（2）随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化
（3）程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
开环控制系统是指控制器与被控制对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。
即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2（a）所示。
这种控制方式的操纵变量（蒸汽流量）与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。
另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2（b）所示。
这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。
3．自动控制系统主要由那些环节组成？
各部分的作用是什么？
答自动控制系统主要由两大部分组成。
一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包含检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。
在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转化成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）。
控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得到偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
4．什么是自动控制系统的过渡过程?
在阶跃扰动作用下，其过渡过程有哪些基本形式?
哪些过渡过程能基本满足控制要求？
答对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。
系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。
把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。
过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。
在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。
1发散振荡过程如图1—3（a）所示。
它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。
2非振荡发散过程如图1—3（b）所示。
它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。
3等幅振荡过程如图1—3（c）所示。
它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。
4衰减振荡过程如图1—3（d）所示。
它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。
5非振荡衰减过程如图l—3（e）所示。
它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。
在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。
但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离给定值，所以一般不采用。
只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。
习题三
1．试简述控制器在自动控制系统中的作用。
答控制器是自动控制系统中的核心组成部分。
它的作用是将被控变量的测量值与给定
值相比较，产生一定的偏差，控制器根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定
的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。
3．控制器的控制规律是指什么?
常用的控制规律有哪些?
答所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号户与输入偏差信号P之间的关系，即
式中z——测量值信号；
x——给定值信号l
f——是指某种函数关系。
常用的控制规律有位式控制、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）以及它们的
组合控制规律，例P1、PD、PID等。
4．什么是位式控制?
它有什么特点?
答位式控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置。
最
为常见的是双位控制，它的输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（关或开）。
位式控制器结构简单、成本较低、易于实现，应用较普遍。
但它的控制作用不是连续变
化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不可能使被控
变量稳定在某一个数值上。
5．什么是比例控制规律?
它有什么特点？
答比例控制规律（P）是指控制器的输出信号变化量户与输入偏差信号变化量e之间成
比例关系，即
式中
——比例放大系数。
比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差
存在。
余差的产生是由比例控制本身的特性所决定的。
这是由于比例控制器的p与e成一一
对应关系，当负荷改变后，需要产生一定的控制作用户，与之对应必然要有一定的偏差e存在。
比例控制规律是一种基本的控制规律。
但它有余差存在，故只在对被控变量要求不高的
场合，才单独使用比例控制作用。
6．何为比例控制器的比例度?
它的大小对系统过渡过程或控制质量有什么影响?
答比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的一个参数。
在数值上比例度等于输
入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：
100%
式中——比例度；
e——输入（偏差）变化量；
p——相应的输出变化量；
——输入的最大变化量，即仪表的量程；
——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。
比例度也可以理解为使控制器的输出变化满刻度（也就是使控制阀从全关到全开或相反）时，相应所需的输入偏差变化量占仪表测量范围的百分数。
比例度
越大，表示比例控制作用越弱。
减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变
差，但可相应地减小余差，使系统的静态准确度提高。
7．什么是积分控制规律?
什么是比例积分控制规律?
它有什么特点?
答积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e的积分成正比，即
式中
——积分比例系数。
在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出户与输
入P的关系为：
积分控制规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。
比例积分控制规律的特点是控制既及
时，又能消除余差。
8．什么是微分控制与比例微分控制?
它有什么特点7．
答微分控制规律是指控制器的输出变化量户与输入偏差e的变化速度成正比，即
式中丁
——微分时间。
在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出户与输
入e的关系为：
微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性（但微分
作用不宜过强）。
在控制系统中，一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。
如果
要消除余差，就得再加上积分控制作用，构成比例积分微分三作用控制规律（PID）。
9．什么是积分时间
?
它对系统过渡过程有什么影响?
答积分时间
是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。
积分时间越小，表示积分控
制作用越强，数值上
，式中
是积分比例系数。
积分时间
的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。
10．什么是微分时间
?
它对系统过渡过程有什么影响?
答微分时间是用来表示微分控制作用强弱的一个参数。
微分时间
越大，表示微分控
制作用越强。
增加微分时间
，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。
但微
分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。
习题四
3．描述简单对象特性的参数有哪些?
各有何物理意义?
答描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间
。
放大系数K放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变
化量之比，即
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
时间常数T时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变
化，达到新的稳态值所需的时间。
或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63．2％所需时间。
时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。
滞后时间
滞后时间
是纯滞后时间
和容量滞后
的总和。
输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。
容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
滞后时间
也是反映对象动态特性的重要参数。
习题五
1．何为简单控制系统?
试画出简单控制系统的典型方块图。
答：
所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送
器）、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，因此有时也称为单回路控制系统。
4．试述自动控制系统中常用的控制规律及其特点和应用场合。
答：
控制系统中常用的控制规律有比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）控
制规律。
比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号（给定值与测量值的偏差）成比例。
它的特点是控制及时，克服干扰能力强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。
这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变化不大、对控制要求不高的场合。
比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输入信号对时间
的积分成比例。
它的特点是能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。
这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差存在的系统。
比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用，微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。
这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。
6．被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的?
答：
被控对象的正、反作用方向规定为：
当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的}反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。
执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。
气开阀为“正”方向；气关阀为“反”方向。
如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。
其他习题：
1、 热电阻温度计的测温原理？
热电阻的测温原理是基于导体和半导体材料的电阻值随温度的变化而变化，再用显示仪表测出热电阻的电阻植，从而得出与电阻值相对应的温度值。
2、简述热电偶测温原理？
热电偶测温的基本原理是热电效应。
把任意两种不同的导体或者是半导体连接成闭合回路，如果两接点的温度不等，在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。
热电偶就是用两种
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