化工仪表及自动化第五版复习整理超详细.docx

化工仪表及自动化习题（2014）（含答案）此版为终极版，严格按照化工仪表及自动化习题（2014）题序给出答案，包括计算题！画图题！此答案和在3份答案（网传电子版答案+复印手写版答案+王建奇整理版本答案）+课本+百度下进行了校对，精简了部分答案繁琐无用的答题点，精益求精，只方便同学们更好的理解记忆。时间匆忙，整理难免有疏漏，如有疏漏，不服SOLO。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：非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、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。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、等百分比流量特性、抛物线流量特性、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静态数学模型和动态数学模型两大类。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420mA空气压力0.020.1MPa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。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.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、自动操纵和自动控制 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0.1MPa。15.电气式压力计的种类有霍尔片式压力传感器、应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力变送器，霍尔片式弹簧管压力表的核心是：霍尔元件，它是利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的间接测量。其实质是将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。16.转子流量计是以压降不变，利用节流面积的变化来反映流量大小，从而实现流量测量的仪表。它又称恒压式流量计、变面积式流量计，适用于测量管径50mm以下管道的测量。据指示形式与传送信号不同分指示式、电远传式、气远传式转子流量计三种。通过转子流量计介质的流量与转子在锥形管中平衡时的高度成正比。转子流量计的标定：在工业基准状态（20，0.10133MPa）下用水或空气标定。二、名词解释1.霍尔效应：电子在霍尔片中运动（电子逆Y轴方向运动）时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，这一点位差称为霍尔电势，这一种物理现象就称为“霍尔效应”。2.显示仪表：在生产过程中对各种参数进行指示、记录或累积的仪表。3.卡曼涡街：把一个漩涡发生体 （非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，称为卡曼涡街。4.工艺管道及控制流程图：在控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图（PID图）。5.过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。6.节流效应：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。7.测量过程：将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般利用专门的技术工具（即测量仪表），将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。8.热电势：热电偶是由两种不同材料的导体 A 和 B 焊接而成，当组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这个电动势叫热电势。9.控制对象：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。10.被控变量：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。11.操纵变量：在自动控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。12.过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。13.滞后时间：在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间。14.系统的动态特性：系统输入输出随时间变动的关系称为系统的动态特性。15.仪表的准确度：仪表的测量结果与实际值得接近程度。16.精密度：仪表检测微小参数变化的能力。17.精确度：仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。反应误差大小的术语，精确度越高，误差越小。18.灵敏度：仪表在稳定状态下输出的变化量与最小输入的变化量之比值。19.灵敏限：仪表能响应的输入信号的最小变量。20.指示变差：在外界条件不变的情况下，用同一仪器对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值正行和反行得到的两条特性曲线之间的最大偏差。21.允许相对误差：某一台仪器在规定正常情况下，允许的相对百分误差的最大值。允=仪表允许的最大绝对误差/（上限-下限）100%。22.控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。工业上常用的有控制器主要有三种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律。三、简答题1.图1-1所示为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及控制流程图，试指图中中所示符号的含义。答：仪表位号FICQ-101表示第一工序第01个流量控制回路（带累积指示），累积指示仪及控制器安装在仪表室仪表盘正面上。仪表位号TI-101表示第一工序第01个温度显示仪表。仪表安装在现场。仪表位号PI-101表示第一工序第01个压力显示仪表。仪表安装在现场。仪表位号TI-102表示第一工序第02个温度显示仪表。仪表安装在现场。仪表位号PI-102表示第一工序第02个压力显示仪表。仪表安装在现场。仪表位号LIC-101表示第一工序第01个具有指示功能的物位控制器。安装在集中仪表盘上。仪表位号HIC-101表示第一工序第01个具有指示功能的高限报警控制器。安装在集中仪表盘上。2.何谓控制系统的过渡过程；根据过渡过程自动控制系统的工作品质用什么指标来衡量？答：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。品质指标：最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率。3.什么是漩涡流量计？简述其工作原理。答：是利用流体自然振荡的原理制成的一种漩涡分离型流量计。原理：当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的漩涡发生体时，若该物体几何尺寸适当，则在阻挡体后面，沿两条平行直线上会产生整齐排列、转向相反的漩涡列。漩涡产生的频率和流体的流速成正比。通过测出漩涡产生的频率可知流体的流量。4.请简述控制器在自动控制系统中的作用。答：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，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发送给执行器。5.热电阻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：因为热电阻温度计的金属导体电阻值随温度变化而变化，通过测量金属导体的电阻就可以测量出温度。它由热电阻、显示仪表、连接导线组成。热电阻：感温元件，由于温度变化导致电阻变化显示仪表：显示测量的电阻连接导线：形成闭合回路6.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：因为热电偶温度计是由两种不同材料A、B焊接而成，由于A、B金属自由电子密度不同，于是会在AB接触面上产生热电势，由于温度不同产生热电势不同，根据两端捅的热电势可得出闭合回路总热电势，然后查表，查出对应温度。它由热电偶、测量仪表、连接导线组成。热电偶：测量热端热电势显示仪表：将总热电势转换成温度显示出来连接导线：形成闭合回路7.霍尔效应及霍尔片式压力计工作原理。答：霍尔效应见名词解释。霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。8.简述压力计的选用和安装时需要注意的要点。答：压力计的选用：（1）仪表类型的选用 （2）仪表测量范围的确定 （3）仪表精度级的选取压力计的安装：（1）压力计应安装在易观察和检修的地方；（2）安装地点应力求避免振动和高温影响；（3）针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施；（4）压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏；（5）当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p = Hg 进行修正（式中 为导压管中介质的密度，g 为重力加速度，H 为高度差）；（6）为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。9.什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p与液位高度H之间的关系为p=gH。这就是一般的“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p0，这就是液位测量时的零点迁移问题。为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号p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。零点迁移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。10.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。11.什么是积分时间？它对系统过渡过程有什么影响？答：对控制器输入一个幅值为A的阶跃变化，立即记下输出的跃变值，并开动秒表计时，当输出达到跃变值的两倍时，此时间就是TI积分时间。影响：TI过大积分作用不明显，余差消除慢；TI小易于消除余差，但系统振荡加剧。12.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：意义：安全生产，连续控制生产工艺，监视和控制。分类：直读式物位仪表、差压式物位仪表、浮力式物位仪表、电磁式物位仪表、辐射式物位仪表、声波式物位仪表、光学式物位仪表。13.用水刻度的流量计，测量范围为015L/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？14.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：桥路中各电阻的作用：(1)滑线电阻 RP与工艺电阻 RB 改变滑动触点在 RP上的位置,可以产生不同的桥路输出电压以平衡热电偶的热电势。(2)始端 (下限)电阻 RG RG的大小取决于测量下限的高低。(3)量程电阻RM RM是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围与所采用的热电偶分度号来决定。(4)上支路限流电阻R4 把上支路的工作电流限定在4mA。(5)冷端温度补偿电阻 R2 降低了测量误差。(6)下支路限流电阻R3 它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。15.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，其基本框图见下图。比较环节：将给定信号与测量相比较，产生一个与它们的偏差成比例的的偏差信号。放大器：将偏差信号放大。反馈环节：通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。放大器比较环节给定信号偏差 输出信号 -反馈环节 测量信号16.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？答：在工程上用精确度、变差、灵敏度与灵敏限、分辨力、线性度、反应时间等指标衡量一台仪表的优劣。17.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？答：该温度控制系统的方块图反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为、物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。TT表示温度变送器，TC表示温度控制器18.根据过渡过程表征自动控制系统的工作品质用什么指标来衡量？影响控制系统过渡过程品质的因素有哪些？答：品质指标：最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率。影响因素：对象的特性、测量仪表特性、执行器特性。19.什么是差压式流量计？简述其工作原理。答：差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。工作原理：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过的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。20.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：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。执行器由执行机构和控制机构两个部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动控制机构动作。控制机构作用是直接与被控介质接触，直接调节流体的流量。21.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。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。如何组建：（1）被控变量的选择（2）操纵变量的选择（3）测量元件特性影响（4）控制器控制规律的选择22.执行器在自动控制系统中起什么作用？执行器由哪些部分构成?各起什么作用？（重复题，见20题）23.为什么要考虑控制器的正、反作用?如何选择?答：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。 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。24.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r=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？解：（1）仪表的量程是指当液位由最低升到最高时，液位计上所增加的压力。故量程P为=（h2-h1）g=（3-1）9809.807=19221.7 Pa（2）当液位最低（即液位为WUG h为零）时，液位计正、负压室的受力分别为P+ = h1g =1980980.7= 9610.9 PaP- = 0 Pa于是液位计的迁移量P为 P = 9610.9-0 = 9610.9 Pa因P+ P- ，故仪表为正迁移。（3）液位的高度h=2.5m，仪表的输出为I0=（h-h1）/（h2-h1）（20-4）+4=2.5/216+4=16 (mA)25.怎么操作三阀组，须注意什么？答：操作仪表三阀组，需注意两个原则： 1）不能让导压管内的凝结水或隔离液流失； 2）不可使测量元件受压或受热。 三阀组的启动顺序应该是： a.打开正压阀； b关闭平衡阀； c打开负压阀。 停运的顺序与上述相反，即： a关闭负压阀； b打开平衡阀； c关闭正压阀26.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1=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。27.差压式流量计、转子流量计工作原理的区别？答：差压式流量计是节流面积不变，压差改变来测量流量的大小。转子流量计是压差不变，节流面积改变来测量流量的大小。28.热电偶温度计与热电阻温度计的测温原理?（见第5、6题）29.一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）（见课本P57 例4）30.控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些?答：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；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。31.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。（重复题，见第15题）32.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。33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。34.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。35.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的?（重复题，见第10题）36.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:控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值，(包括比例度 、积分时间TI、微分时间TD)，以便使系统能获得好的控制质量。 控制器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。 属于控制器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。37.什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?（重复题，见第9题）39.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?（重复题，见第6题）40.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：（1）常用的热电偶有：铂铑30-铂铑6；铂铑10-铂；镍铬-镍硅；镍铬-考铜（2）所配补偿导线是铜、康铜。（3）因为热电偶工作的冷端与热端离得很近，而且冷端又暴露在空气间，容易受到周围环境温度影响，使冷端温度难以保持恒定，如果把热电偶做很长，使冷端远离热端则需要消耗很多贵金属，因此要使用补偿导线。41.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=5。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0600 ，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%，用表示。在此取=0.03，两端剩下的电阻各为RnP=RPRM。( 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0600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l=0.03，按l=0计算也算对。42.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：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。 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。影响：当系统受到干扰作用后，由于存在滞后，而使被控变量不能立即反映出来，于是就不能立即产生控制作用，从而使整个系统控制质量受到严重损害。43.常用的测量压力的仪表有哪些?答：常用的测量压力仪表有：液柱式压力计，弹性式压力计，空气式压力计，活塞式压力计。44.为什么说放大倍数K是对象的静态特性，而时间常数T是对象的动态特性？答：K在数值上等于对象重新稳定后输出变量与输入变量的比值，则对象输入量一定时其输出也就一定，所以K是对象的静态特性。时间常数T是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所需时间，因此当对象受到的输入不同时，其时间常数T不同，因此T是对象的动态特性。