带答案版化工仪表及自动化习题.docx

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带答案版化工仪表及自动化习题

（带答案版）化工仪表及自动化习题

化工仪表及自动化习题（2014）

一.填空题。

1.自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器（中心环节）和执行器组成。

2.自动控制在阶越干扰作用下的过渡过程有：

①非周期衰减过程；②衰减振荡过程；③等幅振动过程；④发散振荡过程几种基本形式。

3.描述对象特性的参数有：

放大系数K、时间常数T、滞后时间τ。

4.自动控制系统与自动检测、自动操纵等系统相比较最本质的区别为自动控制系统有负反馈。

5.控制阀的理想流量特性主要有直线流量特性、抛物线流量特性、对数流量特性、快开特性等几种。

6.研究对象的特性就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学模型主要有参量模型和非参量模型两大类。

7.标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。

例如，直流电流4~20mA、空气压力0.02~0.1MPa都是当前通用的标准信号。

8.弹性式压力计是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。

例如弹簧管压力计、波纹管压力计和膜式压力计。

9.热电阻温度计主要是测量500℃以下的中、低温，目前应用最广泛的热电阻是铂电阻和铜电阻。

10.节流件应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。

11.化工自动化是一门综合性的技术学科，它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论和技术服务于化学工程学科。

12.为了实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、自动控制和自动操纵等方面的内容。

13.差压式流量计是基于流体流动的节流原理，采用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的，差压式流量计也称为节流式流量计。

14.气动差压变送器中，当液位高度H为0时，变送器输出信号为0.02MPa的气压信号，当液位高度H为最高时，变送器输出信号为

答：

选用：

①仪表类型的选用②仪表测量范围的确定③仪表精度级的选取。

安装：

①测压点的选择②导压管铺设③压力计的安装。

7.什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：

❶在使用差压变送器测量液位时，一般压差Δp与液位高度H之间的关系为：

Δp=ρgH。

是一般的“无迁移”的情况。

当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。

实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H=0时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即Δp≠0，这就是液位测量时的零点迁移问题。

❷为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号Δp不等于0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。

❸实质就是变送器零点的大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。

8.什么是积分时间？

它对系统过渡过程有什么影响？

答：

❶积分时间T1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T1=1/K1，式中K1是积分速度（积分比例系数）。

❷积分时间对控制过程的影响：

积分时间T1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性。

9.简述物位检测的意义和按其工作原理列举常见的物位检测类型。

答：

❶物位测量意义：

安全生产，连续控制生产工艺，监视和控制。

❷仪表类型：

直读式物位仪表，差压式，浮力式，电磁式，核辐射式，声波式，光学式。

10.执行器在自动控制系统中起什么作用？

执行器通常由哪些部分构成?

各起什么作用。

答：

❶执行器的作用：

接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

❷气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。

❸作用：

①执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。

②控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。

11.试述电动执行机构的结构原理、分类及适用场合。

答：

❶原理：

接受来自控制器的0~10mA或4~20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。

❷分类：

角行程、直行程、多转式等类型。

❸适用场合：

角行程适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。

直行程适用于操作单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构。

多转式主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门。

12.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：

❶被控对象的作用方向随具体对象的不同而各不相同。

当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”，反之为“反作用”。

❷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。

❸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。

13.为什么要考虑控制器的正、反作用？

如何选择？

答：

❶在控制系统中，要正确选择控制器的作用方向，即“正”、“反”作用。

选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。

❷选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器；个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正、反作用。

14.简述流量计的分类及其工作原理？

答：

❶速度式流量计：

以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。

❷容积式流量计：

以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。

❸质量流量计：

以测量流体流过的质量M为依据的流量计。

15.差压式流量计、转子流量计工作原理的区别？

答：

①相同点：

两者都是利用节流原理来测量流量。

②不同点：

差压式流量计：

节流件固定安装、节流件前后差压变化、输入输出非线性。

转子式流量计：

节流件安装不固定、节流件前后差压固定、输入输出线性。

16.控制器的控制规律是指什么?

常用的控制规律有哪些?

答：

❶控制规律指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。

❷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。

17.什么是差压式流量计？

简述其工作原理。

答：

❶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流量计称为差压式流量计（又称节流式）。

❷根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程，可以导出流体流经节流装置时的压差与流量之间有一定的对应关系，其定量关系符合流量基本方程式。

根据这个方程式，就可以由测量得到的压差来计算出流国的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。

18.控制器参数整定的任务是什么?

工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法？

答：

任务：

按照已定的控制方案，确定最合适的控制器比例度δ，积分时间TI和微分时间TD。

工程上常用方法：

临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法。

19.简述弹性压力计的分类及其工作原理。

答：

❶原理：

采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。

❷根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：

弹簧管式压力计、薄膜式压力计、波纹管式压力计。

20.试述PID控制的意义及相关参数大小对控制效果的影响。

答：

❶意义：

❷影响：

①比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。

KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。

②积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。

Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。

若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。

另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。

从相位的角度来看一个积分环节就有90°的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。

③微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但Td不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。

21.怎么操作三阀组，须注意什么？

答：

❶启动顺序：

打开正压阀、关闭平衡阀、打开负压阀。

停运顺序：

关闭负压阀、打开正压阀、关闭正压阀。

❷注意事项：

①不能让导压管内的凝结水或隔离液流失；②不可使测量元件（膜盒或波纹管）受压或受热。

22.简述并图示控制系统按信号来源（系统结构）分类，各适用于什么场合？

23.简述在工程实际中如何评判和衡量所选定的测量仪表的优劣？

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：

❶常用的热电偶：

铂铑30-铂铑6热电偶、铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶、镍铬-考铜热电偶。

❷使用补偿导线的目的是将热电偶的冷端从温度较高、波动较大的地方移到温度较低、且相对稳定的地方。

❸如果只使用补偿导线还不能达到冷端温度补偿的目的，必须与其它方法配合起来使用。

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℃。

❹冷端温度补偿的方法有以下几种：

①冷端温度保持为0℃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。

25.常用的测量压力的仪表有哪些?

答：

测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类：

①液柱式压力计，它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的；②弹性式压力计，它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移来进行测量的；③电气式压力计，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；④活塞式压力计，它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测量的。

26.为什么说放大倍数K是对象的静态特性，而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

答：

❶放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

❷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,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。

❸滞后时间τ是指对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。

因此它是反映对象动态特性的重要参数。

27.被控变量的选择原则是什么?

答：

被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它的选择的一般原则是：

①被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；②被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；③被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标;④被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；⑤被控变量应是独立可控的；⑥应考虑工艺的合理性与经济性。

28.操纵变量的选择原则是什么?

答：

①操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量;②操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小;③操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

29.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：

❶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。

❷①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。

②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。

③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。

30.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？

对控制过程有什么影响？

答：

❶对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。

在控制通道，如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。

在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。

❷对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。

容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。

在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。

T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。

在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。

31.图1-1所示是一反应器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保持不变。

试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么，图中TT、TC各表示什么？

图1-1反应器温度控制系统

32.何为简单控制系统？

试画出简单控制系统的典型方块图，指出如何考虑组建这一系统。

各部分的作用是什么？

答：

❶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。

❷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。

33.请绘制出XW系列自动电子电位差计测量电桥原理图，并分析桥路中的各电阻的作用。

答：

34.模拟式控制器主要由哪几部分组成?

画出其框图，说明各部分的作用。

答：

模拟式控制器主要由比较环节、放大器和反馈环节构成。

比较环节的作用是将给定信号与测量信号进行比较，以产生与比较结果成比例的偏差信号。

放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。

反馈环节的作用是通过正、负反馈来实现比例、积分、微分控制规律。

对于不同的模拟式控制器，其各部分的具体结构形式及具体的联接方式会有所不同。

四、计算题。

1．用水刻度的流量计，测量范围为0～15L/min，转子用密度为7920kg/m3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.85kg/L的苯的流量，问测量范围为多少？

若这时转子的材料改为密度为2750kg/m3的铝合金制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？

答：

转子流量计测量水时，其流量公式为：

Q水=Φh√（2gv（ρi-ρ水）/ρ水A）。

若将转子材料更换后，并用来测量苯，其流量公式为：

Q苯=Φh√（2gv（ρi-ρ苯）/ρ苯A），所以有：

Q苯/Q水=√（（ρi’-ρ苯）ρ水/（ρi-ρ水）ρ苯）=√（（2750-831）×1000/（7920-1000）×831）=0.578。

Q苯=0.578×Q水=0.578×10=5.78L/min。

故测量苯的量程为0~5.78L/min。

2．用单法兰液位计测量开口容器内的液位，其最高液位和最低液位到仪表的距离分别为h1=1m和h2=3m（见图）。

若被测介质的密度=980kg/m3，求：

（1）变送器的量程为多少？

（2）是否需要迁移？

迁移量为多少？

（3）如液面的高度h=2.5m，电液面计的输出为多少？

3．如图所示，用差压变送器测量闭口容器的液位。

已知h1=50cm，h2=200cm，h3=140cm，被测介质的密度ρ1=0.85kg/cm3，负压管内的隔离液为水，求变送器的调校范围和迁移量。

4．一个以水标定的转子流量计，其转子材料为不锈钢，密度为7290kg/m3,用来测量苯的流量，求流量计读数为3.6升/秒时，苯的实际流量是多少？

（苯的密度830kg/m3）

5．图示为电位差计线路图。

R2为冷端温度补偿电阻，在25℃时的阻值R2=5Ω。

假定热电偶的热电势每100℃是4mV，并设温度与电势是线性关系，求室温25℃时：

（1）上支路电流，

（2）下支路电流：

（3）下限温度：

（4）上限温，（5）仪表量程：

（6）若把仪表量程改成0～600℃，桥路电阻应如何变化?

（要点如下）

解由于滑线电阻两端都有一小段触点滑不过去的部分，因此两端各有一小段电阻，一般为

全电阻的3%~5%，用λ表示。

在此取λ=0.03，两端剩下的电阻各为λRnP=λRP∥RM。

（各1分）

所以下限温度为：

（1分）

（4）当触点滑至上限B时

（1分）

（5）仪表量程S=998-152=846℃

（6）当仪表量程改成0~600℃时，其上、下限温度都发生变化，由于热电偶没改变，其下支路电阻不发生改变，只是上支路电阻发生改变。

要改变量程，只有改变量程电阻RM。

因为

所以

因为

所以

当热电偶为0℃时，由于环境温度为25℃，这时热电偶两端的热电势

所以

（1分）

注意：

未考虑λ=0.03，按λ=0计算也算对。

6．如图15－11所示为一加热炉出口温度控制系统示意图。

试画出该控制系统的方块图，确定调节阀的气开、气关型式和调节器的正反作用，并简述物料流量突然增加时该控制系统的调节过程。

解：

该控制系统的方块图如图15－12所示。

当调节阀上的气源中断时，为了防止炉温过高，烧坏炉子，应关闭阀门，不再通入燃料气，因此采用气开阀。

在该控制系统中，当燃料气流量增加时，加热炉出口温度升高，因此，加热炉为“正作用”对象；测量变送元件的作用方向也为“正方向”；调节阀为气开阀，也属于“正作用”方向；为了保证系统具有负反馈，调节器应为“反作用”方向。