過程裝備控制技術及應用習題參考答案

1、過程裝備控制技術及應用習題及參考答案第一章 控制系統的基本概念1.什么叫生產過程自動化？生產過程自動化主要包含了哪些內容？答：利用自動化裝置來管理生產過程的方法稱為生產過程自動化。主要包含：自動檢測系統信號聯鎖系統自動操縱系統自動控制系統。2.自動控制系統主要由哪幾個環(huán)節(jié)組成？自動控制系統常用的術語有哪些？答：一個自動控制系統主要有兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套自動控制裝置，包括測量儀表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動控制裝置控制下的生產設備，即被控對象。自動控制系統常用的術語有：被控變量y被控對象內要求保持設定數值的工藝參數，即需要控制的工藝參數，如鍋爐汽包的水位，反應

2、溫度；給定值（或設定值）ys對應于生產過程中被控變量的期望值；測量值ym由檢測原件得到的被控變量的實際值；操縱變量（或控制變量）m受控于調節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實現控制作用的變量稱為操縱變量，是調節(jié)閥的輸出信號；干擾f引起被控變量偏離給定值的，除操縱變量以外的各種因素；偏差信號（e）被控變量的實際值與給定值之差，即e=ym - ys控制信號u控制器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。3.什么是自動控制系統的方框圖？它與工藝流程圖有什么不同？答：自動控制系統的方框圖上是由傳遞方塊、信號線（帶有箭頭的線段）、綜合點、分支點構成的表示控制系統組成和作用的圖形。其中每一個分塊代表系統中的一個組成部分，

3、方塊內填入表示其自身特性的數學表達式；方塊間用帶有箭頭的線段表示相互間的關系及信號的流向。采用方塊圖可直觀地顯示出系統中各組成部分以及它們之間的相互影響和信號的聯系，以便對系統特性進行分析和研究。而工藝流程圖則是以形象的圖形、符號、代號，表示出工藝過程選用的化工設備、管路、附件和儀表自控等的排列及連接，借以表達在一個化工生產中物料和能量的變化過程，即原料成品全過程中物料和能量發(fā)生的變化及其流向。4.在自動控制系統中，什么是干擾作用？什么是控制作用？兩者有什么關系？答：干擾作用是由干擾因素施加于被控對象并引起被控變量偏離給定值的作用；控制作用是由控制器或執(zhí)行器作用于被控對象，通過改變操縱變量克服

4、干擾作用，使被控變量保持在給定值，兩者的相同之處在于都是施加于被控對象的作用，不同之處在于干擾作用是使被控變量偏離給定值，而控制作用是使被控變量接近給定值。5.什么是閉環(huán)控制？什么是開環(huán)控制？定值控制系統為什么必須是一個閉環(huán)負反饋系統？答：閉環(huán)控制是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的自動控制，即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，而被控變量又通過自動控制裝置去影響操縱變量，從信號傳遞關系上看，構成了一個閉合回路。開環(huán)控制是指控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯系的自動控制系統。即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，但被控變量并不通過自動控制裝置去影響操縱變量，從信號傳遞關

5、系上看，未構成閉合回路。定值控制系統要求給定值恒定不變，控制系統的輸出即被控變量應穩(wěn)定在與給定值相對應的工藝指標上，或在工藝指標的上下一定范圍內變化，因此需要閉環(huán)控制。另外負反饋其反饋信號的作用方向與設定信號相反，是系統穩(wěn)定工作的基本條件，因此定值控制系統必須是一個閉環(huán)負反饋系統。6.在圖1-11的換熱器出口溫度控制系統中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一設定值。試畫出該控制系統的方框圖； 方框圖中各環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號是什么？整個系統的輸入信號和輸出信號又是什么？系統在遇到干擾作用（如冷物料流量突然增大 ）時，該系統如何實現自動控制的？TCTT冷物料蒸汽熱物料答：如圖所示為該控制系統的方

6、框圖。TsT 干擾作用作用溫度控制器執(zhí)行器換熱器溫度測量變送裝置該控制系統及各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號如圖所示。整個系統的輸入信號為：給定值ys，干擾作用f，輸出為熱物料出口溫度T，當冷物料流量增大 ，則出口溫度y減小，TT檢測后所得ym減小，偏差信號e=ym-ys0，輸入調節(jié)器后產生控制信號u，使執(zhí)行器或調節(jié)閥加大閥門開度，使溫度T升高，從而實現控制。7.圖1-12為貯糟液位控制系統，工藝要求液位保持為某一數值，（1）試畫出該系統的方框圖；（2）指出系統中被控對象，被控變量，操縱變量，干擾作用各是什么？LTLCqv1qv2f（1）如圖所示為該控制系統的方框圖；貯槽hhs液位控制器 執(zhí)行器液位測量

7、變送裝置 -（2）該系統中被控變量對象為貯槽；被控變量為貯槽液位；操縱變量為出水流量；干擾作用為：進水流量，大氣溫度等。8.什么是自動控制系統的過度過程？在階躍干擾作用下有哪幾種基本形式？其中哪些能滿足自動控制的要求，哪些不能，為什么？答：對于任何一個控制系統，擾動作用是不可避免的，系統受到擾動作用后，其平衡狀態(tài)被破壞，被控變量就要發(fā)生波動，在自動控制作用下經過一段時間，使被控變量回復到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統從一個平衡狀態(tài)進入另一個平衡狀態(tài)之間的過程稱為系統的過度過程。在階躍干擾作用下，其過度過程曲線有：發(fā)散振蕩過程 等幅振蕩過程 衰減振蕩過程 非振蕩的單調過程。 其中衰減振蕩和非振蕩的單調過程

8、屬于穩(wěn)定的過渡過程，能滿足自動控制的要求，其它的不能。9.試畫出衰減比分別為n1,n 時的過度過程曲線？答：如圖所示：n，單調過程n1，發(fā)散振蕩n1，衰減振蕩n=1，等幅振蕩10.表示衰減振蕩過程的控制指標有哪些？答：表示衰減振蕩過程的控制指標有： 最大偏差A指過渡過程中被控變量偏離設定值的最大值，即被控變量第一個波的峰值與給定值的差。衰減比n過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比?；貜蜁r間（過渡時間）ts指被控變量從過渡狀態(tài)回復到新的平衡狀態(tài)的時間間隔，即整個過渡過程所經歷的時間。差e( )指過渡過程終了時被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設定值之差。振蕩周期T過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之

9、間的時間間隔，其倒數稱為振蕩頻率。第二章 過程裝備控制基礎1.什么是被控對象的特性？表征被控對象特性的參數有哪些？它們的物理意義是什么？答：所謂被控對象的特性，是指當被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律（包括變化的大小，速度），描述被控對象特性的參數有放大系數K，時間常數T和滯后時間 。K被控對象重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。由于放大系數K反映的是對象處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出和輸入之間的關系，所以放大系數是描述對象靜態(tài)特性的參數。T時間常數是指當對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；虍攲ο笫艿诫A躍輸入作用后，被控變量

10、達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。時間常數T是反映被控變量變化快慢的參數，因此是對象的動態(tài)參數。滯后時間 是純滯后0時間 和容量滯后c 的總和。輸入變量的變化落后于輸入變量變化的時間稱為純滯后時間，純滯后的產生一般是由于介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。容量滯后一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。滯后時間 也是反映對象動態(tài)特性的重要參數。2.為什么說放大系數是對象的靜態(tài)特性，而時間常數和滯后時間是動態(tài)特性？答：放大系數K表達了被控對象在干擾作用下重新達到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時間變化的參數，所以K是被控對象的靜態(tài)特性參數。時間常數反映了被控對象受到輸入作用后，輸入變量

11、達到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短，所以是動態(tài)特性參數。滯后時間也是描述對象滯后現象的動態(tài)參數。3.什么是被控對象的控制通道？什么是干擾通道？答：對一個被控對象來說，輸入量是擾動量和操縱變量，而輸出是被控變量。由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯系稱為通道。操縱變量至被控變量的信號聯系稱為控制通道；擾動量至被控變量的信號聯系稱為擾動通道。4.在控制系統中，對象的放大系數，時間常數，滯后時間對控制有什么影響？答：對于不同的通道，對象的特性參數（K，T ， ）對控制作用的影響是不同的。對于控制通道：放大系數K大，操縱變量的變化對被控變量的影響就大，即控制作用對擾動的補償能力強，余差也小；

12、放大系數K小，控制作用的影響不顯著，被控變量的變化緩慢。但K太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統的穩(wěn)定性下降。在相同的控制作用下，時間常數T大，則被控變量的變化比較緩慢，此時對象比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較大；若時間常數T小，則被控變量變化速度快，不易控制。時間常數太大或太小，在控制上都將存在一定困難，因此，需根據實際情況適中考慮。滯后時間 的存在，使得控制作用總是落后于被控變量的變化，造成被控變量的最大偏差增大，控制質量下降。因此，應盡量減小滯后時間 。對于擾動通道：放大系數K大對控制不利，因為當擾動頻繁出現且幅度較大時，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大

13、系數k小，即使擾動較大，對被控變量仍然不會產生多大影響。時間常數T大，擾動作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對象較易控制。純滯后的存在，相當于將擾動推遲0時間才進入系統，并不影響控制系統的品質；而容量滯后的存在，則將使階躍擾動的影響趨于緩和，被控變量的變化相應也緩和些，因此，對系統是有利的。qv1qv15.試從圖2-58某對象的反應曲線中，表示出該對象的放大系數，時間常數和滯后時間。解：如圖所示：k=THH()T如圖所示，以起始速率變化至新穩(wěn)態(tài)值所對應的時間，T=， 如圖所示，不存在容量滯后， 6.什么是調節(jié)器的控制規(guī)律？調節(jié)器有哪幾種基本控制規(guī)律？答：調節(jié)器的控制規(guī)律是指調節(jié)器的輸出信號隨輸

14、入信號變化的規(guī)律或是指控制器的輸出信號P與輸入偏差信號e之間的關系。常用的基本調節(jié)規(guī)律有：位式，比例，積分，微分等，以及它們的組合控制規(guī)律如PI，PD，PID。7.什么是雙位控制，比例控制，積分控制，微分控制，它們各有什么特點？答：位式控制器的輸出只有幾個特定的數值，或它的執(zhí)行機構只有幾個特定的位置。最常見的是雙位控制。，它們輸出只有兩個數值（最大或最?。?，其執(zhí)行機構只有兩個特定的位置（開或關）。位式控制器結構簡單，成本較低，易于實現，應用較普遍。但它的控制作用不是連續(xù)變化的，由它所構成的位式控制系統其被控變量的變化將是一個等幅振蕩過程，不能使被控變量穩(wěn)定在某一數值上。積分控制（P）是指調節(jié)器

15、的輸出信號變化量 與輸入信號變化量e(t)成比例關系： ， -比例放大系數，比例控制的伏點是反應快，控制及時，其缺點是當系統的負荷改變時，控制結果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在對被控變量要求不高的場合，才單獨使用比例控制。積分控制（I）：調節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的積分成正比，即： 式中 -積分速度， -積分時間。積分規(guī)律的特點是控制緩慢，但能消除余差。由于輸出變化量總要滯后于偏差的變化，因此不能及時有效地克服擾動的影響，加劇了被控變量的波動，使系統難以穩(wěn)定下來，故不單獨使用積分控制規(guī)律。微分控制（D）-指調節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。即 。 -微分時間

16、。微分控制規(guī)律的特點是有一定的超前控制作用，能抑制系統振蕩，增加穩(wěn)定性；由于其輸出只與偏差的變化速度有關，而與偏差的存在無關，因此，不能克服確定不變的偏差。故也不單獨使用。8什么是余差？為什么單純的比例控制不能消除余差積分控制消除余差。答：余差是指過渡過程終了時，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與測定值之差。比例調節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對應的比例差系，要使調節(jié)器有輸出，就必須要有偏差存在，因此，比例調節(jié)控制不能消除余差。積分控制其輸出信號的大小不僅與輸入偏差信號的大小有關，還取決于偏差存在時間長短。只要有偏差，調節(jié)器的輸出就不斷變化，偏差存在的時間越長，輸出信號的變化量就越大，只有存在偏差身先等

17、于的情況下，積分調節(jié)器的輸出信號才能相對穩(wěn)定，因此積分控制作用是力圖消涂余差。9為什么積分控制規(guī)律一般不單獨使用？答：積分控制其輸出變化總是滯后于偏差，不能及時有效地克服擾動的影響，加劇了被控變量的波動，使系統難以穩(wěn)定下來，因此工業(yè)過程控制中，通常不單獨使用積分控制規(guī)律。10比例、積分、微分、控制分別用什么量表示其控制作用的強弱？并分別說明它們對控制質量的影響。答：比例比例度是反映比例控制器的比例控制作用強弱的參數。比例度越大，表示比例控制作用越弱。減少比例度，系統的余差越小，最大偏差也越短，系統的穩(wěn)定程度降低；其過渡過程逐漸以衰減振蕩走向臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。積分控制積分時間TI表示積分控制

18、作用強弱的參數，積分時間越小，表示積分控制作用越強。積分時間TI的減少，會使系統的穩(wěn)定性下降，動態(tài)性能變差，但能加快消除余差的速度，提高系統的靜態(tài)準確度，最大偏差減小。微分控制微分時間TD是表示微分控制作用強弱的一個參數。如微分時間TD越大，表示微分控制作用越強。增加微分時間TD，能克服對象的滯后，改善系統的控制質量，提高系統的穩(wěn)定性，但微分作用不能太大，否則有可能引起系統的高頻振蕩。e(t)e(t)e(t)11試畫出在階躍作用下，比例、比例積分、比例積分微分調節(jié)器的輸出特征曲線。AAAtttKpAKpAu(t) KpAKpAKpAttt12比例積分微分調節(jié)器有什么特點？答：比例積分微分調節(jié)器

19、的特點是：在比例調節(jié)的基礎上進行微分調節(jié)可提高系統的穩(wěn)定性，進行積分調節(jié)可消除余差，所以這種調節(jié)器既能快速進行調節(jié)，又能消除余差，具有良好的調節(jié)性能。調節(jié)作用可通過調節(jié)適當的參數，比例度，積分時間TI和微分時間TD面改變。13在比例積分微分調節(jié)器中可以調整的參數有哪幾個?試說明調下整其中一個參數時,對調節(jié)器的控制作用有什么影響?答:在PID調節(jié)器中,比例度、積分時間、微分時間三個參數可以調整，從而可獲得較高的控制質量。如比例度增大，則比例控制作用減少弱，當 時，PID調節(jié)器成為積分微分調節(jié)器，當TI積分時間 時，PID調節(jié)器成為比例微分控制器，當TD 時，PID調節(jié)器成為PI即比例積分控制。1

20、4調節(jié)器參數整定的目的是什么？工程上常用的整定方法有哪些？答：當一個控制系統設計安裝完成后，系統各個環(huán)節(jié)及其被控對象各通道的特征不能改變了，而唯一能改變的就是調節(jié)器的參數，即調節(jié)器的比例度 、積分時間TI、微分時間TD。通過改變這三個參數的大小，就可以改變整個系統的性能，獲得較好的過渡過程和控制質量。調節(jié)器參數整定的目的就是按照己定的控制系統求取控制系質量最好的調節(jié)器參數，工程上常用的整定方法有： 經驗試湊法根據被控變量的性質在己知合適的參數（經驗參數）范圍內選擇一組適當的值做為調節(jié)器的參數值，然后直接在運行的系統中，人為地加上階躍干擾，通過觀察記錄儀表上的過渡曲線，并以比例度、積分時間、微分

21、時間對過渡曲線的影響為指導，按照某種順序反復試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，直到獲得滿意的過渡過程曲線為止。 臨界比例度法首先求取比例作用下的閉環(huán)系統為等幅振蕩過程時的比例度 和振蕩周期TK，然后根據經驗公式計算出相應的調節(jié)器參數 衰減曲線法以在純比例下獲得4：1衰減振蕩曲線為參數整定和依據，方法同臨界比例度法，獲得4：1衰減曲線的TS、 ，然后求解相應的值。15調節(jié)器控制規(guī)律選擇的依據是什么？答：關于控制規(guī)律選取可歸納為以下幾點： 簡單控制系統適用于控制負荷變化較小的被控變量，如果負荷變化較大，無論選擇哪種調節(jié)規(guī)律，簡單控制系統都很難得到滿意的控制質量，此時，應設計選取用復雜的控制系統

22、。 在一般的控制系統中，比例控制是必不可少的，當廣義對控制通道時間常數較少，負荷變化較小，而工藝要求不高時，可選擇單純的比例規(guī)律，如貯罐液位，不太重要的壓力等參數控制。 當廣義對象控制通道時間常數較，負荷變化較小，而工藝要求無余差時，可選用比例積分調節(jié)規(guī)律，如管道壓力，流量等參數的控制。 當廣義對象控制通道時間常數較大或容量滯后較大時，應引入微分作用，如工藝充許消除余差，可選用比例微分調節(jié)規(guī)律；如工藝要求無余差時，則選用PID調節(jié)規(guī)律，如溫度，成分，PH等參數控制。 如果被控對象傳遞參數可用 近似，則可根據對象的可控比t/T選擇哪個調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律。當t/T 時，選用P或PI；當 時，選PD或

23、PID；當 時，采用簡單控制系統往往不能滿足控制要求，這時應選用復雜控制系統。16設計控制系統時，必須確定和考慮哪些方面的問題？答：設計一個控制系統，首先應對被控對象做全面的了解。除被控對象的動靜態(tài)特征外，對于工藝過程，設備等也需要比較深入的了解；在此基礎上，確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當的執(zhí)行行器，調節(jié)器以及調節(jié)器控制規(guī)律待，最后將調節(jié)器的參數整定到最佳值。17什么是串級控制系統？它有什么特點？什么情況下采用串級控制？答：串級控制系統是由其結構上的特征面得出的。它是由主、副兩個控制器串接工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定

24、值，副控制器的輸出操縱控制閥，以實現對主變量的定值控制。它的特點有：能迅速克服進入副回路的干擾。能改善被控對象的特征，提高了系統克服干擾的能力。主回路對副對象具有“魯棒性”，提高了系統的控制精度。串級控制系統主要就用于：對象的滯后和時間常數很大，干擾作用強面頻繁，負荷變化大，對控制質量要求較高的場合。18串級控制系統中心副回路和主回路各起什么作用？為什么？答：在系統結構上，串級控制系統是由兩個串聯工作的控制器構成的雙閉環(huán)控制系統。一個閉環(huán)系統在里面，稱為副環(huán)或副回路，在控制系統中起“粗調”的作用；一個閉環(huán)在外面，稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細調”的任務，以保證被控變量滿足工藝要求。由于串級控制

25、系統由兩套檢測變送器、兩個調節(jié)閥、兩個被控對象和一個調節(jié)閥組成，其中兩個調節(jié)閥器串聯起來工作，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的給定值，后一個調節(jié)器的輸出才送給調節(jié)閥。因此一個是粗調，一個是細調。19圖2-59是聚合釜溫度與流量的串級控制系統。說明該系統的主、副對象，主、副變量，主、副調節(jié)器各是什么？試述該系統是如何客觀實現其控制作用？解：該系統的主對象：聚合釜 副對象：冷卻水進口管路 主變量：聚合釜溫度 副變量：冷卻水流量 主調節(jié)器：溫度調節(jié)器 副調節(jié)器：流量調節(jié)器T調節(jié)器流量調節(jié)器溫度調節(jié)器聚合釜檢測變送2（流量）檢測變送1（溫度）冷卻水進口管路給定該控制系統的方框圖：如圖所示：冷卻水流

26、量若減小，首先由流量檢測變送，經流量調節(jié)閥調整冷卻水閥門開度，開度增加；同時由于流量減少使聚合釜由溫度T升高。從而使溫度穩(wěn)定在工橄要求范圍內。20什么是前饋控制系統？應用在什么場合？答：前饋控制又稱擾動補償，它是測量進入過程的干擾（包括外界干擾和設定值變化），并按其信號產生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設定值上。前饋控制主要用于下列場合：干擾幅值大面頻繁，對被控變量影響劇烈，單純反饋達不到要求時；主要干擾是可測不可控的變量；對象的控制通道滯后大，反饋控制不即時，控制質量差時，可采用前饋反饋控制系統，以提高控制質量。21.什么是比值控制系統？它有哪幾種類型？答：實現兩個或兩個以上

27、的參數符號一定比例關系的控制系統，稱為比值控制系統，它主要有定比值控制系統和變比值控制系統。其中定比值系統有三類：開環(huán)比值控制系統，單閉環(huán)比值控制系統和雙閉環(huán)比值控制系統。22.選擇性控制系統的特點是什么？應用在什么場合？答：選擇性控制系統的特點是使用選擇器，可以在兩個或多個調節(jié)器的輸出端，或在幾個變送器輸出端對信號進行選擇，以適應不同的工況，主要應用在對不穩(wěn)定工況的控制，可以保證生產工藝過程的安全操作，盡量減少開，停車中的不穩(wěn)定工況。23.均勻控制的目的和特點是什么？答：均勻控制系統的目的是為了解決前后工序的供求矛盾，使兩個變量之間能夠互相兼顧和協調操作。均勻控制系統的特點是其控制結果不像其

28、他控制系統那樣，不是為了使被控變量保持不變可，而是使兩個互相聯系的變量都在允許的范圍內緩慢地變化。第三章 過程檢測技術1.寫出測量方程式，以及測量三要素，并舉例說明。答：測量方程式： 為被測量，x為測量值，u為測量單位。測量過程三要素為：測量單位，測量方法，測量儀器與設備。舉例：如液柱式溫度計測量溫度。2.簡述直接測量法與間接測量法的定義，指出它們的異同及使用場合？答：直接測量法指被測量與單位能直接比較得出比值，或者儀表能直接顯示出被測參數值的測量方法；間接測量法通過測量與被測量有一定函數關系的其他物理量，然后根據函數關系計算出被測量的數值，稱為間接測量法。相同之處在于都是對工業(yè)生產中一些物理

29、量的測量，都包含測量三要素。不同之處在于直接測量測量過程簡單方便，應用廣泛；間接測量過程較復雜，只有在誤差較大或缺乏直接測量儀表時才采用。3.測量儀表的主要性能指標有哪些？傳感器的主要特性有哪些？答：測量儀表的主要性能指標有技術，經濟及使用三方面的指標，其中技術方面的有：誤差，精度等級，靈敏度，變差，量程，響應時間，漂移等；經濟方面的有：使用壽命，功耗，價格等；使用方面的有：操作維修是否方便，運行是否可靠安全，以及抗干擾與防護能的強弱，重量體積的大小，自動化程度的高低等。傳感器的主要特性有：準確性，穩(wěn)定性，靈敏性。4.舉例說明系統誤差，隨機誤差和粗大誤差的含義及減小誤差的方法。答：系統誤差是由

30、于測量工具本身的不準確或安裝調整得不正確，測試人員的分辨能力或固有的讀數習慣，測量方法的理論根據有缺陷或采用了近似公式等原因產生的測量值與真值的偏差。系統誤差的絕對值和符號或者保持不變，或者在條件變化時按某一規(guī)律變化。如儀表零位未調整好會引起恒值系統誤差。隨即誤差是由于測量過程中大量彼此獨立的微小因素對被測值的綜合影響而產生的測量值與真值的偏差，其絕對值和符號以不可預料的方式變化。如氣溫的變化。粗大誤差是由于測量操作者的粗心，不正確地操作，實驗條件的突變或實驗狀況未達到預想的要求而匆忙實驗等原因造成的明顯地歪曲測量結果的誤差。減小誤差的方法：系統誤差：應盡量減少或消除系統誤差的來源。首先檢查儀

31、表本身的性能是否符號要求；其次仔細檢查儀器是否處于正常工作條件，如環(huán)境條件及安裝位置等是否符合技術要求，零位是否正確；此外還應檢查測量系統和測量方法本身是否正確。隨即誤差：由于摩擦，間隙，噪聲等都會產生隨機誤差，因此首先從結構，原理上盡量避免采用存在摩擦的可動部分；采用減小噪聲的裝置，并采用抗干擾能力強的測量儀器。對于粗大誤差應端正科學研究態(tài)度，并認真分析數據，剔除壞值。5.試述絕對誤差，相對誤差及引用誤差的定義，舉例說明各自的用途。答：絕對誤差儀表指示值與被測變量的真值之間的代數差，即 ，可表示儀表基本誤差限： 。相對誤差測量的絕對誤差與被測變量的約定真值（實際值）之比，即用 ，可表示儀表的

32、基本誤差限與絕對誤差相比較，相對誤差更能說明測量結果的精確程度，如溫度升測量顯示值為57，時間溫度為60 ，則： =57-60=-3,，若實際為30，測量顯示值為27 ，則 ：=-3， 顯然此時的相對誤差比前者大。引用誤差絕對誤差與儀表的量程之比，用引用誤差表示的儀表基本誤差限為：，如溫度計的量程為100，則其引用誤差，根據允許引用誤差值的大小可劃分儀表的精度等級。6.檢定一只量程為5A的電流表，結果如下：輸入量/A12345示量/A1.101.983.014.085.02（1） 試求儀表各示值的絕對誤差，實際相對誤差，示值相對誤差和引用誤差。（2） 確定儀表的精度等級。解： 1-1.10 2

33、-1.98 3-3.01 4.-4.08 5-5.02絕對誤差： ；相對誤差： ，示值相對誤差： ，引用誤差：所以數值計算列表如下：12345X1.101.983.014.085.020.1-0.020.010.080.020.1-0.010.00330.020.0040.091-0.01010.00330.01960.0040.020.0040.0020.040.004儀表的精度等級 ，故該儀表的精度等級為2。7.對某物理量經過20次測量，得到如下數據：324.08324.03324.02324.11324.14324.07324.11324.14324.19324.23324.18324.

34、03324.01324.12324.08324.16324.12324.06324.21324.14分別用3 準則和肖維耐準則判斷有無粗差，并求該測量的計算平均值 ，標準差 和極限誤差 ，寫出測量結果表達式。解：n=20，平均值 = ，剩余誤差： ，即：-0.03-0.08-0.0900.03-0.0400.030.080.120.07-0.08-0.10.01-0.030.050.01-0.050.10.03標準差 = ，標限誤差（1）3準則：3=0.192， 因此該組數中無壞值。（2）肖維耐準則：依表3-1可知n=20時，=2.24，故該組數中無壞值。極限誤差，測量結果： 8.用一溫度計測

35、量某介質溫度，40%的讀數誤差小于0.5 ，用線性插值法估計該溫度升的標準差，并計算誤差小于0.75 的概率。解：（1）= ， 由此推得0.7時，由已知條件知， 查概率積分表得： 時z=0.5205，得： （2），得： 查表得：時，=0.5646即誤差小于0.75，概率為0.56469.現有精度等級為1.5A級，2.0B級和2.5C級的三塊儀表，測量范圍分別為，和 ，現需測量500 左右的溫度，要求測量的相對誤差不超過2.5%，選用哪塊表合適？解：根據測量范圍，選擇B，C兩塊表，A表排除。 B表：q=2%=0.02= 故B表合適。 C表：q=2.5%=0.025= 故C表不合適。 綜上所述選用

36、B表即2.0級，量程 的儀表。10.檢定一臺測量范圍為 的位移測量儀表，結果如下：（1）試畫出上下行程的輸入輸出特性曲線；（2）求該儀表的線性度（以上行曲線為例）；(3) 確定該表的回差（遲滯誤差）解：已知數據：位移/mm 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0上行程示值/mm： 0 0.34 0.69 1.06 1.41 1.77 2.04 2.45 2.81 3.20 3.67 4.07 4.37 下行程示值/mm： 0 0.40 0.77 1.14 1.52 1.90 2.27 2.65 3.02 3.38 3.72 4.06

37、4.37（1）如圖所示，上下行程曲線（2）（3）11概述膨脹式溫度計的工作原理與主要特點：答：膨脹式溫度計是利用物體熱脹冷縮的性質來測溫的。主要特點：玻璃液體：結構簡單，使用方便，測量精度高，價格低廉；測量上限和精度受玻璃質量的限制，易碎，不能遠傳。雙金屬；結構緊湊，牢固，可靠；測量精度較低，量程和使用范圍有限。12熱點偶有那些特點？用普通導線和補償導線作熱電偶的延長線，效果有何不同？試證明補償導線的補償作用。答：熱電偶的特點有：測量精度教高，性能穩(wěn)定；結構簡單，易于制造，產品互換性好；將溫度信號轉換成電信號，便于信號 遠傳和象現多點切換測；測量范圍廣，可達2002000，形式多樣，適用于各種

38、測量條件。選用補償導線要求其在一定溫度范圍內與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，型號相配，極性連接正確。補償導線的作用證明：如圖所示：回路中電勢為：EEab（t，t1）Ecd（t1，t0）由補償導線的性質得：Ecd（t1,t0）=Eab(t1,t0)EEab（t，t1）Eab（t1，t0）Eab（t，t0）補：用普通導線做熱電偶得延長線要求引入兩端得溫度相同熱電勢不同，故一般接熱電偶的冷端，因此冷端溫度依然是現場溫度。而用補償導線卻可以將冷端溫度現場溫度分開，利于測量。13用兩只分度號為K的熱電偶測量A區(qū)與B區(qū)的溫差，連接方法如圖379所示。若 （1） ， （2）， 試分別求兩種情況下的示值誤

39、差,并解釋為何與實際溫差不同.解:查熱電偶分度號表:K型熱電偶:20 200 220 500E: 0.798mv 8.137mv 8.937mv 20.640mv(1) E=8.938-0.798=8.140mv反查K熱電偶分度號表: 201-8.177mv內析求得: t=200.075(2) E=20.640-8.137=12.503 反查K分度號表:307-12.498; 308-12.539 內析求得: t=307.12分析原因:低溫度下熱電勢與溫度線性關系較好,高溫時誤差較大。14.用分度號為S的熱電偶與動圈儀表構成的測溫系統,冷端補償器的平衡點溫度在20 .圖3-80中,t=1300

40、, t1=80 ,t2=25,t0=30；動圈儀表的機械零位為0,試求：(1)儀表的示值溫度是多少;(2)如何處理可使示值與實際溫度相符;(3)把補償導線改為銅線時,示值變?yōu)槎嗌?解:如圖所示:(1)查S型熱電偶的分度號表:t/ 1300 30 25E/mv 13.155 0.173 0.142由E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)即 E(1300,30)E(1300,0)-E(30,0)=13.155-0.173=12.982mv查表,12.982mv時對應的溫度為t=1286,即儀表顯示的溫度為1286 。（2）由于補償電橋是在20時平衡的，因此須將儀表的機械零位預先調到20 處，

41、即可使示值與實際溫度相符。（3）若將補償導線改為銅線，則 ,則E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)=13.155-0.502=12.653mv查表12.653mv時對應的溫度為t=1258.5,即示值變?yōu)?258.5。15.用分度號為Cu50的熱電阻測得某介質的溫度為84 ，但經檢定，該電阻R0=50.4,電阻溫度系數=4.2810-3/.試求介質的實際溫度。解：在-50150 的范圍內，銅電阻與溫度是線性關系： 查得他t84時R67.97即： 16.用U型管壓力計（封液為水銀）測溫度管道中水的壓力。壓力計在管道下面1.5M（至肘管端口）處，壓力計同大氣一側肘管內水銀面距口

42、80mm，兩管水銀面高度h=140mm，求水的表壓力（Pa)解：如圖所示：11截面壓力相等，即：= 表壓 17四個應變片R1，R2（在上面），R3,R4（在下面）如圖381所示貼于梯形片簧，片簧以懸臂形式固定。（1）畫出應變片接成直流氣橋形式的電路圖； （2）當片簧受力P的作用時，貼片處產生350的應變，供橋電壓10V，應變片靈敏系數為2，求電橋輸出。參考：化工測量及儀表 范玉文主編P31圖381輸出電壓：18.液體式壓力計有哪些主要類型？試分析其誤差答：液柱式壓力計主要有：U型管壓力計，單管壓力計和微壓力計。以U型管壓力計：誤差產生主要有以下幾方面：a 讀數誤差，消除視察。b溫度變化產生液體

43、變化，產生測量誤差，故須修正。 c 安裝誤差：當U型管安裝不直時會產生安裝誤差。 d 毛細現象，修正19試述彈簧管壓力計彈簧管結構特點與測壓原理。答：彈簧管壓力計由彈簧管壓力感應元件和放大指示機構兩部分組成，前者是彎成圓弧狀的空心管子，一端固定（作為壓力輸入端）；另一端自由，作為位移輸出端，接放大指示機構。其它是由拉桿，齒輪及指針組成。測壓原理：在彈性范圍內，彈簧管自由端的位移與被測壓力之間近似線性關系，即通過測量自由端的位移，可直接測得相應的被測壓力大小。20已知被測壓力在范圍0.71MPa內波動，要求測量的絕對誤差不得超過0.02MPa，試選定彈簧管壓力的量程和精度等級?？晒┻x用的壓力計量

44、程系列為：00.6MPa; 02.5MPa.故選用01.6MPa精度等級： 故選用精度等級為1級的量程為01.6MPa的儀表。21轉子流量計顯示流量的形式有幾種，是如何分度的。答：轉子流量計顯示流量的形式有3種，一種是玻璃轉子流量計，其錐型管是電玻璃制成，并在管壁標有流量刻度，直接根據轉子的高度進行讀數；另一類為電運轉轉子流量計，即將轉子的位移信號轉變?yōu)殡娦盘?；另一種為氣動運轉式轉子流量，將轉子的位移信號變?yōu)閴毫π盘?，進行遠距離傳送。22標準節(jié)流裝置有哪幾部分組成，對各部分有哪些要求？答：標準節(jié)流裝置有：節(jié)流元件，取壓裝置和前、后管道三部分組成。標準節(jié)流裝置的設計、加工、安裝和使用都有規(guī)定的技

45、術要求，規(guī)定和數據，可參見GB/T 262423試比較節(jié)流裝置與轉子流量計在工作原理與使用特點上的異同點。答：工作原理使用特點節(jié)流裝置利用節(jié)流元件前后的差壓與流速之間的關系，獲得被測流量的大小使用已標準化、系列化，使用范圍：管徑為501000mm，測量范圍1.5100000m3/h，但使用產生的壓力損失大，精度12%轉子流量計基于力平衡原理，利用錐形管內的轉子把流體的流速轉換成轉子的位移，進而獲得被測流量的大小。相同點：都是測流速然后得流量。使用已系列化，測量時若介質變化，應修正，可測小流量，結構簡單，維修方便，壓力損失小。缺點：機械傳逆信號，儀表性能和準確度難以提高，轉子易卡死，測量管徑范圍

46、4150mm,測量范圍：0.0013000m3/h, 精度12.5%24從渦輪流量計得基本原理分析其結構特點，輸出信號方法和使用要求。答：渦輪流量計得基本原理：流體對置于管內渦輪得作用力，使渦輪轉動，其轉動速度在一定流速范圍內與管內流體得流速成正比。其結構主要由：渦輪、導流器、磁電轉換裝置，外殼以及信號放大電路等部分組成。輸出信號方法：將葉輪轉動時得轉速轉換成脈動電信號輸出，經進一步放大整形后獲得分撥信號，對其進行脈沖計數和單位換算可得到積累流量；通過頻率電流轉換單元可得到瞬時流量。使用要求：僅適用潔凈得被測介質，通常在渦輪前要安裝過濾裝置；流量計前后需由一定的直管段長度，流量計的轉換系數一般

47、在常溫下用水標定的，當介質的密度和粘度發(fā)生變化時需重新標定或進行補償。25已知：流體為過熱蒸汽，工作壓力P14MPa，工作溫度t550；管道D20221mm, 材料X20CrMoV21無縫管，節(jié)流裝置為角接標準噴嘴，材料為1Cr18Ni9Ti，d20148.74mm；差壓0p=100.42 KPa，求：（1）在假定0p下的蒸汽流量；（2）計算測量時的壓力損失。解：計算參考過程控制檢測技術與儀表 杜維主編p81。查附數據表可得管道材質和孔板材質的熱膨脹系數為： 則工作狀態(tài)下管道內徑為電表25查得管道內壁粗糙度k0.7 則: 在工作壓力下,過熱蒸汽 等熵指數其中因為26.已知：流體為水，工作壓力p

48、14.71MPa，工作溫度t215；管道D20233mm，材料20號無縫鋼管；截流裝置為法蘭標準孔板，材料為1Cr18Ni9Ti。d20117.34mm，差壓p156.91KPa.求：（1）在給定的p下的流量qm（2）測量時的壓力損失。解： 液體, 27當工作壓力偏離額定壓力時，如何由差壓顯示的水位值求出真實的水位。答：當工作壓力偏離額定壓力時，可通過差壓計的正、負遷移，求出遷移量，即利用正負遷移改變變送器的零點，同時改變量程的上下限，即可求出真實的水位。28差壓式液位計如何測量液位? 當差壓變送器高于或低于最低液位時，應如何處理？答：差壓式液位計是采用壓差計測量氣、液兩相的壓差，壓差大小通過

49、氣動或電動差壓變送器傳送，并轉化位電信號，最終顯示處液位的大小及其變化。當差壓變送器高于或低于最低液位時，可對差壓變送器進行零點遷移，由正遷移和負遷移（低于最低液位時，采用正遷移，高于最低液位時，采用負遷移。）第四章 過程控制裝置1單杠桿式氣動差壓變送器式由哪些部分組成的？各部分由何作用？試說明其工作原理。答：單杠桿式氣動差壓變送器電氣動轉換部分和測量部分組成，測量部分的作用是將被測量的壓力信號轉換成力的形式；氣動轉換部分的作用，是將被測差壓pi轉換成為作用于主杠桿下端的輸入力Fi。其工作原理為：正負壓容的輸入壓力經敏感元件轉換成輸入力Fi。即 。Fi作用于主杠桿的下端，對支點產生一個順時針方

50、向的輸入力矩Mi，使主杠桿發(fā)生順時針方向的偏轉。變送器輸出信號P0，引入反饋波紋管中，并產生反饋力矩Ff作用于主杠桿上，使主杠桿對支點產生一個逆時針方向的力矩Mf。當 時，主杠桿就處于平衡狀態(tài)，噴嘴擋板間的距離不再改變，若MfMi時，則杠桿系統產生偏角，位移檢測片產生微小位移s，其變化量再通過放大器10轉換并方大為20100KPa的輸出壓力，即變送器的輸出信號與被測差壓pi成正比。2什么時氣阻？什么是氣容？它們在氣路中各起什么作用？答：在氣路中安裝的節(jié)流元件稱為氣阻，作用是阻礙氣體的流動，起著降壓（產生壓力降）和限流（調節(jié)氣體流量）的作用。氣容是在氣路中能儲存或釋放處氣體的氣容，在氣路中起著緩

51、沖，防止振蕩的作用。3噴嘴擋板機構由哪些氣動元件組成？它們的作用是什么？答：噴嘴-擋板機構是由噴嘴和擋板構成的變氣阻，一個恒氣阻和一個氣容串聯而成的節(jié)流通室，作用是將輸入的微小位移信號（即擋板相對于噴嘴的距離）轉換成相應的氣壓信號輸出。4DD8III型電動差壓變送器是按什么原理工作的？它是由哪幾部分組成的？試簡述其工作過程。答：DD8III型電動差壓變送器是按力矩平衡原理工作的，由測量部分（杠桿系統）；電磁反饋裝置；矢量機構；低額位移檢測放大器。其工作過程如下：被測差壓信號p1,p2分別送入敏感元件兩側的正負壓室，敏感元件將其轉換成作用于主杠桿下端的輸入力Fi，使主杠桿以軸封膜片為支點偏轉，并

52、以力F1沿水平方向推動矢量機構，矢量機構將推力分解成F2和F3。F2使矢量機構的推板向上偏轉，并通過連接簧片帶動副杠桿L4以支點M逆時針偏轉，使固定在副杠桿上的差動變壓器B的銜鐵靠近差動變壓器，兩點之間的距離變化量再通過低頻位移檢測放大器轉換并方大為420mA直流電流，作為便送器的輸出信號；同時該電流又流過電磁反饋裝置的反饋動圈，產生電磁反饋力Ff，使副杠桿順時偏轉o，當輸入力與反饋力對杠桿系統說產生的力矩Mi, Mf達到平衡時，變送器便達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。此時低頻位移檢測放大器的輸出電流Io便反映了說測電壓pi的大小。5DD8III型溫度變送器為什么要采用線性化措施？熱電偶溫度變送器時怎樣

53、實現線性化的。答：熱電偶溫度變送器要求的輸出電壓信號與相應的變送器輸入的溫度信號成線性關系，而熱電偶是非線性關系的，溫度變送器放大回路是線性的，若將熱電偶的熱電勢直接接到變送器的放大回路，則溫度t與變送器的輸出電壓Usc之間的關系是非線性的。因此需要采用線性化措施，措施是:采用反饋電路非線性，使放大回路具有線性，依據輸入輸出關系，當放大系數k很大時，要使熱電偶輸入的溫度變送器保持線性，就要使反饋電路的特性曲線與熱電偶的特性曲線相同，從而實現線性化。6試分析電動差壓變送器如何實現量程遷移（零點遷移）的。答：電動差壓變送器的輸入與輸出間的關系：式中Ad，I1，I2，I3，I3是固定不變的，故輸出電流與輸入差壓之間的比例關系通過調整tg和kf來改變，即改變變送器的量程，Io，量程變小，j，kf，的改變是通過改變反饋線圈的匝速w實現的，w，kf，量程。7試分析四線制變送器與兩線制變送器與電源的連接方式并畫出示意圖。答：電動變送器輸出信號與電源的連接方式有兩種：四線制和兩線制，四線制中，供電電源通過兩根導線接入，另兩根導線與負載電阻R2相連，輸出010mA DC信號。這種連線方式中，同變送器連接的導線共有4根，成為四線制，如圖（a）所示。如圖b中所示，同變