化工仪表及自动化知识点整理.docx
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化工仪表及自动化知识点整理
化工仪表及自动化
试卷分值分布：
一、单选题（2分10=20分）二、填空题（2分×5=10分）三、简答题（5分5=25分）
四、计算题（10分3=30分）五、综合分析题（15分×1=15分）
CH1
1.自动控制系统的主要组成环节？
各组成环节的作用？
控制系统的4个基本环节：
被控对象、检测仪表（测量变送环节）、控制器、执行器
被控对象：
需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象
检测仪表（测量变送环节）：
感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的、统一的输出信号（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相比较得出偏差，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，将运算结果用特定信号（气压或电流信号）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注入（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。
2.画系统的方框图
3.自动控制系统的分类
（1）按被调参数分类：
流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等；
（2）按调节规律分类：
比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调节；
（3）按被调参数的变化规律分类：
定值调节系统（给定值为常数）、随动调节系统（给定值为变数，要求跟随变化）和程序控制调节系统（按预定时间顺序控制参数）
（4）按信号种类分类：
气动调节系统，电动调节系统
4.自动控制系统的过渡过程形式
过渡过程：
受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。
阶跃干扰作用下几种典型的过渡过程：
非周期（振荡）衰减过程（允许）衰减振荡过程（允许）单调发散（非振荡）过程（不允许）
等幅振荡过程（一般是不允许的，除开关量控制回路）发散振荡过程（不允许）
5.由阶跃扰动作用下的过渡过程曲线确定系统的品质指标
评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出和以误差性能指标的形式给出。
以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。
主要包括：
最大偏差（超调量）、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（振荡频率）等。
以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。
主要包括：
平方误差积分指标
、时间乘平方误差积分指标
、绝对误差积分指标
、时间乘绝对误差积分指标
。
优化控制的策略：
当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。
最大偏差emax（被控量偏离给定值的最大数值）：
衰减比n（前后相邻两个峰值的比）：
余差e（∞）（稳态值与给定值的偏差）：
过渡时间tp：
振荡周期（其倒数为振荡频率）：
超调量σ：
衰减比n：
余差e（∞）：
过渡时间tp：
振荡周期（其倒数为振荡频率）：
自动控制系统希望的结果：
1）、最大偏差（超调量）：
越小越好
2）、衰减比：
为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：
1至10：
1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程。
3）、不振荡：
不便于操作人员掌握。
4）、余差：
越小越好
5）、过渡时间：
越小越好
6）、振荡周期：
短好
CH2
1.建立对象的数学模型有哪些方法？
机理建模和实验建模（对象的实验测取方法：
阶跃反应曲线法和矩形脉冲法）
机理建模：
通过对对象内部无能运动机理的分析。
根据对象中物理或化学变化的规律如物料、能量平衡、传热传质等基本方程，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程，建立的数学模型。
实验建模（实验测取法）：
在所要研究的对象上，人为施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量（输出）随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线，后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。
阶跃反应曲线是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，得到输出量y随时间的变化规律曲线。
是一种简易但精度不高的对象特性测定方法。
矩形脉冲法是当对象处于稳定工况下，在时间t0突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律曲线。
实验精度较高且对正常工艺生产影响较小。
混合建模：
将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模
2.
描述对象特性的参数有哪些？
各有何物理意义？
对象模型有三个基本参数：
放大系数K、时间常数T、滞后时间τ
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变化量之比，即K=输出的变化量/输入的变化量。
时间常数T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％所需要的时间，反映响应变化快慢或响应滞后的重要的动态参数。
滞后时间τ是纯滞后时间τ0和容量滞后τc的总和，反映对象动态特性的重要参数
控制通道放大系数
越大控制变量u对被控变量y的影响越灵敏控制能力强；干扰通道放大系数
越大干扰f对被控变量y的影响越灵敏。
在设计控制系统时，应合理选择KO，使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。
控制通道TO大响应慢、控制不及时、过渡时间tp长；控制通道TO小响应快、控制及时、过渡时间tp短；控制通道TO太小响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。
干扰通道的时间常数Tf对被控变量输出的影响也是相类似的。
一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。
滞后时间τ：
滞后分为传递滞后（纯滞后）和容量滞后。
控制通道纯滞后对控制肯定不利，纯滞后增大控制质量恶化；干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，因为干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。
3.
由阶跃反应曲线标出纯滞后时间、容量滞后时间、滞后时间、对象时间常数及计算系统放大系数。
（a）在S型响应曲线上选择拐点A（二阶导数+—或—+）；
（b）曲线在拐点A作切线，交y（0）于D点，交y（）于C点；
（c）OD为纯滞后时间，=1+2，而1是系统真正纯滞后，是2容量滞后引起的等效滞后；
（d）DC为时间常数T；
（e）增益K=y/u。
CH3
1.有关仪表精度，误差的概念（基本误差的最大允许值及计算）
仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。
附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。
测量误差——仪表测得的测量值
与被测真值
之差
将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:
仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。
仪表的精确度等级：
指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差（把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“％”号，便可用来确定其精度等级）目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：
0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为±0.5％。
精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表
工艺要求的允许误差≥仪表的允许误差≥校验所得到的相对百分误差
2.仪表性能指标的定义
仪表性能指标有精确度（精度）、变差、灵敏度、分辨力、线性度和反应时间
3.什么叫霍乐效应？
置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。
4.什么叫压电效应？
当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会产生异号电荷。
这种在没有外电场存在，由于形变引起的电现象称为压电效应。
5.标准的节流件有哪些？
标准节流件包括标准孔板（适用于大流量的测量）、标准喷嘴和标准文丘里管。
6.差压式流量计和转子流量计的原理及区别
差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。
转子流量计是保持恒定压降，利用节流面积的变化来测量流量的大小
区别：
差压式流量计是节流面积不变，变压差来测量流量，而转子流量计是恒压降，变节流面积来测量流量
7.电磁流量计的工作原理
电磁流量计是基于电磁感应定律工作的，它是将流体的流速（因非导磁材料管道直径不变）转换为感应电势的大小来进行测量的。
8.什么是液位测量时的零点迁移问题
在使用差压变送器测量液位时，一般来说，其压差△p与液位高度H之间的关系：
△p=Hρg，这就属于一般的“无迁移”情况。
当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。
9.温度计的分类，各种温度仪表的适用场合（温度传感器是重点）
测温方式
测温仪表
测温范围℃
主要特点
接
触
式
膨胀式
玻璃液体
-50～600
结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。
双金属
-80～600
结构紧凑可靠；测量精度低、量程和使用范围有限
压力式
液体
气体
蒸汽
-30～600
-20～350
0～250
结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉；精度低，测稳距离短，滞后大。
热电效应
热电偶
-200～1600
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低。
热阻效应
铂电阻
-200～600
测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。
铜电阻
-50～150
半导体热敏电阻
-50～150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。
非接触式
辐射式
辐射式
光学式
比色式
400～2000700～3200
900～1700
不破坏温度场，测温范围大，响应快，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，低温不准。
红外线
光电探测
热电探测
0～3500
200～2000
测温范围大，适用于测温度分布，不破坏温度场，响应快；易受外界环境的影响，标定较困难。
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过到测温目的。
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、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。
非接触式只能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的才能得到真实温度。
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、尘埃其他介质的影响，因此测量精度较低。
非接触式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。
10.什么叫热电效应
热电效应（热电偶测温的基本原理）：
任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。
11.采用热电偶进行温度测量时，为什么要使用补偿电线？
其作用是什么？
补偿导线的选用原则？
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，便冷端远离工作端，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，将热电偶的冷端廷伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。
作用是减少贵重金属的消耗，降低成本
在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。
12.热电偶温度计的工作原理？
热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？
工作原理：
①不同金属具有不同的电子密度；②两种金属接触面因电子的扩散作用而产生电场——热电现象；③电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；④电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。
由于操作室内的温度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。
因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。
目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：
冰浴法、计算修正法和电桥补偿法。
13.对热电偶和热电阻材料的要求
对热电偶的热电极材料要求：
温度每增加1℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理、化学稳定性要高，材料组织要均匀，要有韧性，复现性好，应用上保证有良好的互换性。
P76
对热电阻的材料要求：
尽可能大且稳定的电阻温度系数、电阻率要大；热容量要小；在整个测量范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；电阻值随温度的变化关系是单值函数。
P82
14.根据分度表确定检测温度P82
铂电阻（0~650℃）与温度的关系
Rt是温度为t℃时的电阻值；R0是温度为0℃时的电阻值；A=3.950×10-3/℃，B＝-5.850×10-7/（℃）2，C＝-4.22×10-22/（℃）3
首先确定R0的大小（工业常用有R0=10Ω，对应分度号Pt10，R0=100Ω，对应分度号Pt100），则可以对应的分度表（Rt-t关系）查得温度。
铜电阻（-50~50℃）
为铜的电阻温度系数α=4.25×10-3/℃，有R0＝50Ω和R0＝100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100
其中Pt100和Cu50的应用最为广泛
CH4
1.显示仪表的分类
显示仪表指凡能将生产过程中各种参数进行显示、记录或累积的仪表。
2.自动电子电位差计测量桥路中是如何解决热电偶冷端补偿问题的？
P103
增加一个由铜丝绕制成的电阻R2组成的支路，让R2与热电偶冷端处于同一温度，因铜电阻的阻值随着温度的升高而增加，则R2上的电位差也增加，但热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而降低，配置得当可以达到温度补偿的目的。
3.热电阻测温为什么要用三线制接法？
P106
因为当用热电阻测量温度时，热电阻要安装在被测温度的现场，而平衡电桥中的其他电阻边同仪表一起则安装在控制室。
由于现场离控制室较远，因此连接热电阻的导线往往很长，如用二线制则会例测量产生较大的误差，而用三线制接法时由于环境温度的变化而引起连接导线电阻的变化，可以互相抵消一部分，从而减少对仪表的影响。
4.自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较
项目
（电子电位差计）热电偶系统
自动电子平衡电桥热电阻系统
输入信号
电动势
电阻
电桥输出
E
0
冷端温度补偿
有
无
接线方式
双补偿线，桥中
三线，桥臂
电源
直流
直流或交流
CH5
1.比例放大系数Kp与比例度σ的关系
比例放大系数Kp决定了比例控制作用的强弱，Kp越大，比例控制作用越强；比例度σ是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用公式表示为：
输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。
因仪表的量程和控制器输出的工作范围一定，增大Kp（即减小比例度δ），可以减小余差，但这样会使系统稳定性变差。
2.为什么比例作用会产生余差？
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（p=Kp·e），当负荷改变后，需要产生一定的控制作用p，与之对应必然要有一定的偏差e存在。
CH6
1.控制阀的流量特性（理想和工作）P143
控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系：
，相对流量
控制阀某一开度时流量
，全开时流量
，相对开度
控制阀某一开度行程
，全开行程L。
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。
在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。
串并联管道后的流量特性分析：
1畸变，串联尤为严重。
2可调范围降低，并联尤为严重。
3串联使总流量减少，并联使总流量增加。
4对放大系数的影响。
2.控制阀的理想流量特性有几种？
各有什么特点？
①.直线流量特性：
指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。
当阀门在小开度是控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，这是不利于控制系统的正常运行的。
因此，希望整个行程范围之内，控制作用强弱相等，有利于控制系统的正常运行。
②.等百分比（对数）流量特性：
是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。
在同样的行程变化下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏。
③.抛物线流量特性：
之间成抛物线关系，在直角坐标上为一条抛物线，它介于直线及对数曲线之间。
④.快开特性：
在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。
3.执行器的分类，应用特点
执行器的分类根据动作能源的不同，执行器可以分为以下三类：
①气动执行器：
以气压为动力，推动机构动作。
结构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、维修方便、防火防爆和价格较低。
（应用广泛）
②电动执行器：
以电动机作为动力源，推动机构动作。
能源取用方便，信号传递快速，结构复杂，防爆性能差。
（少用）
③液动执行器：
以液压站提供的流体（液压油）高压为动力源，推动机构动作。
（化工很少使用）
CH7（综合）
1.简单控制系统的概念
简单控制系统：
是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
2.被控变量选择应遵循的原则（指导意义）
被控变量是生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。
原则：
a.被控变量应是关键变量。
b.被控变量在工艺操作过程中经常需要较频繁的调节。
c.尽量采用直接指标作为被控变量。
当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。
d.被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。
e.选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
f.被控变量是独立可控的，否则需用复杂控制系统，且需增加解藕装置。
3.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的？
如何根据工艺要求来确定？
测量元件及变送器：
作用方向一般是“正”的；被控对象：
操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”；执行器：
作用方向取决于是气开阀还是气关阀；气开阀是“正”方向；气关阀是“反”方向。
执行器的气开或气关形式主要从工艺安全角度来确定——原则是：
信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。
当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减少时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。
反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。
4.各控制器的特点？
各使用在什么场合？
P控制规律
：
最基本的控制规律，抗干扰能力强，控制及时，过渡时间短，但有余差。
适合控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控变量运行在一定范围内允许有余差的场合。
PI控制规律
：
在工程上应用最为广泛的一种控制规律。
积分能消除余差，但会导致稳定性降低。
增大比例度可保证稳定性，但超调量和振荡周期会相应增大；
适用于控制通道较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合，如某些流量、液位要求无余差的场合。
PD控制规律
：
微分具有超前控制作用，对具有容量滞后的过程控制通道，引入微分控制规律对改善系统的动态性能指标，有显著的效果。
适用于控制通道的时间常数大或者容量滞后较大的场合，如温度和成分控制等。
但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性干扰的系统，则不宜采用微分作用。
PID控制规律
：
是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，能提高系统的稳定性。
适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合。
如温度控制、成分控制。
5.各控制器的输出与输入之间的关系式，理解其含义并进行相关计算
6.确定控制系统的被控变量、操纵变量、被控对象及干扰变量，控制通道和干扰通道
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道，控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道，干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道。
7.
描述系统的控制过程及各信号的变化情况
测量元件及变送器检测被控变量的变化并将它转换成输出信号进入比较机构与工艺上需要保持的设定值相比较得出偏差信号送往控制器，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，输出信号至执行器，执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地被控变量的流量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
例.
例题是个人认为较有代表性
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