化工儀表及自動化作業(yè)參考答案[1]

1、 制藥過程控制原理與儀表第一章 自動控制系統(tǒng)基本概念1. 什么是化工自動化？它有什么重要意義？答:在化工設(shè)備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動化。實現(xiàn)化工自動化，能加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、減輕勞動強度、保證生產(chǎn)安全，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創(chuàng)造條件。2. 化工自動化主要包括哪些內(nèi)容？答:化工生產(chǎn)過程自動化，一般包括自動檢測、自動操縱、自動保護和自動控制等方面的內(nèi)容。3. 自動控制系統(tǒng)怎樣構(gòu)成？各組成環(huán)節(jié)起什么作用？答:自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成。一

2、部分是起控制作用的全套自動化裝置，對于常規(guī)儀表來說，它包括檢測元件及變送器、控制器、執(zhí)行器等；另一部分是受自動化裝置控制的被控對象。在自動控制系統(tǒng)中，檢測元件及變送器用來感受被控變量的變化并將它轉(zhuǎn)換成一種特定的信號(如氣壓信號或電壓、電流信號等)?？刂破鲗z測元件及變送器送來的測量信號與工藝上需要保持的設(shè)定值信號進行比較得出偏差，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢，按預(yù)先設(shè)計好的控制規(guī)律進行運算后，將運算結(jié)果用特定的信號(如氣壓信號或電流信號)發(fā)送給執(zhí)行器,執(zhí)行器能自動地根據(jù)控制器送來的信號值相應(yīng)地改變流人(或流出)被控變量的物料量或能量，克服擾動的影響，最終實現(xiàn)控制要求。什么叫操縱變量？受控制器操縱的

3、，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。（或：具體實現(xiàn)控制作用的變量叫做操縱變量）4. 閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)有什么不同？答自動控制系統(tǒng)按其基本結(jié)構(gòu)形式可分為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)和開環(huán)自動控制系統(tǒng)。閉環(huán)自動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(lián)系的自動控制。如圖1-1 ( a)即是一個閉環(huán)自動控制。圖中控制器接受檢測元件及變送器送來的測量信號，并與設(shè)定值相比較得到偏差信號，再根據(jù)偏差的大小和方向，調(diào)整蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，使熱物料出口溫度回到設(shè)定值上。從圖1-1, (b)所示的控制系統(tǒng)方塊圖可以清楚看出，操縱變量(蒸汽流量)通過被控對象去影響被控變量，而被

4、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(guān)系上看，構(gòu)成了一個閉合回路。 (a) (b)圖1-1 閉環(huán)自動控制基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系的自動控制系統(tǒng)。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(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。開環(huán)控制系統(tǒng)分為兩種，一種按設(shè)定值進行控制，如圖1-2 (a)所示。這種控制方式的操縱變量(蒸汽流量)與設(shè)定值保持一定的函數(shù)關(guān)系，當設(shè)定值變化時，操縱變量隨其變化進而改變被控變量。另一種是按擾動進行控制，即所謂前饋控制系統(tǒng)，如圖1-2 (b)所示。這種控制方式是通過對擾動信號

5、的測量，根據(jù)其變化情況產(chǎn)生相應(yīng)控制作用，進而改變被控變量。 (a)按設(shè)定值進行控制的開環(huán)系統(tǒng) (b)按擾動進行控制的開環(huán)系統(tǒng)圖1-2開環(huán)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動地覺察被控變量的變化情況，也不能判斷操縱變量的校正作用是否適合實際需要。5. 什么是反饋？什么是正反饋和負反饋？答:把系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸人端的做法叫做反饋。反饋信號的作用方向與設(shè)定信號相反，即偏差信號為兩者之差，這種反饋叫做負反饋；反之為正反饋。6. 根據(jù)設(shè)定值的形式，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以分為哪幾類？在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按照設(shè)定值的不同形式又可分為：(1)定值控制系統(tǒng)；(2)隨動控制系統(tǒng)；(3)

6、程序控制系統(tǒng)。7. 什么是控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)？答:在自動化領(lǐng)域內(nèi)，把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為控制系統(tǒng)的靜態(tài)。在這種狀態(tài)下，自動控制系統(tǒng)的輸人(設(shè)定值和干擾)及輸出(被控變量)都保持不變，系統(tǒng)內(nèi)各組成環(huán)節(jié)都不改變其原來的狀態(tài)，它們輸人、輸出信號的變化率為零。而此時生產(chǎn)仍在進行，物料和能量仍然有進有出。因此，靜態(tài)反映的是相對平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的動態(tài)是被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)。當一個原來處于相對平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，受到擾動作用的影響，其平衡狀態(tài)受到破壞，被控變量偏離設(shè)定值，此時，控制器就會改變原來的狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，改變操縱變量克服擾動的影響，力圖恢復(fù)平衡狀態(tài)。從擾動發(fā)生，經(jīng)過

7、控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這段時間中整個系統(tǒng)都處于變動狀態(tài)中。9.控制系統(tǒng)運行的基本要求是什么？答:自動控制系統(tǒng)的基本要求是系統(tǒng)運行必須是穩(wěn)定的，并應(yīng)保證滿足一定的精度要求或某些規(guī)定的性能指標，但最基本的要求是穩(wěn)定的，也就是說系統(tǒng)投人運行后，被控變量不致失控而發(fā)散。10.在階躍擾動作用下，自動控制系統(tǒng)的過渡過程有哪些基本形式？哪些過渡過程能基本滿足控制要求？答:過渡過程中被控變量的變化情況與干擾的形式有關(guān)。在階躍擾動作用下，其過渡過程曲線有以下幾種形式。發(fā)散振蕩過程；非振蕩發(fā)散過程；等幅振蕩過程；衰減振蕩過程；非振蕩衰減過程。在上述五種過渡過程形式中，非振蕩衰減過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定過程

8、，能基本滿足控制要求。但由于非振蕩衰減過程中被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值的進程過于緩慢，致使被控變量長時間偏離設(shè)定值，所以一般不采用。只有當生產(chǎn)工藝不允許被控變量振蕩時才考慮采用這種形式的過渡過程。11.衰減振蕩過程的品質(zhì)指標有哪些？答:衰減振蕩過程的品質(zhì)指標主要有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間、振蕩周期(或頻率)等。12、什么是傳遞函數(shù)？答:對于如圖1-6所示的線性系統(tǒng)，在初始條件為零時，它的輸出與輸入的拉普拉斯式之比，即系統(tǒng)在復(fù)數(shù)s域的輸出與輸人之比，稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，記為。圖1-6 系統(tǒng)的輸人輸出關(guān)系第二節(jié) 例 題 分 析1. 在石油化工生產(chǎn)過程中，常常利用液態(tài)丙烯汽化吸收裂解氣體的熱量

9、，使裂解氣體的溫度下降到規(guī)定的數(shù)值上。圖1-9是一個簡化的丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)。被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在(15±1.5)。如果溫度太高，冷卻后的氣體會包含過多的水分，對生產(chǎn)造成有害影響；如果溫度太低，乙烯裂解氣會產(chǎn)生結(jié)晶析出，堵塞管道。圖1-9丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)示意圖(1)指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量和操縱變量各是什么？(2)試畫出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。(3)試比較圖1-9及它的方塊圖，說明操縱變量的信號流向與物料的實際流動方向不同。解(1)在丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)中，被控對象為丙烯冷卻器；被控變量為乙烯裂解氣的出口溫度；操縱變量為氣態(tài)丙烯的流量。(2)該系

10、統(tǒng)方塊圖如圖1-10所示。圖1-10丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)方塊圖注：為乙烯裂解氣的出口溫度；sp為乙烯裂解氣的出口溫度設(shè)定值(3)在圖1-9中，氣態(tài)丙烯的流向是由丙烯冷卻器流出。而在方塊圖中，氣態(tài)丙烯作為操縱變量，其信號的流向是指向丙烯冷卻器的。2. 某化學反應(yīng)器工藝規(guī)定的操作溫度為(900±10)。考慮安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80?，F(xiàn)設(shè)計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1-13所示。試求最大偏差、衰減比和振蕩周期等過渡過程品質(zhì)指標，并說明該控制系統(tǒng)是否滿足題中的工藝要求。圖1-13 過渡過程曲線解 由過渡過程曲線可知最大偏差A(yù)=950

11、-900=50衰減比第一個波峰值B=950-908=42 第二個波峰值B'=918-908=10衰減比n=42:10=4.2振蕩周期T=45-9=36min余差C=908-9008過渡時間為47min。由于最大偏差為50，不超過80，故滿足題中關(guān)于最大偏差的工藝要求。第三節(jié) 習 題2.鍋爐是化工、煉油等企業(yè)中常見的主要設(shè)備。汽包水位是影響蒸汽質(zhì)量及鍋爐安全的一個十分重要的參數(shù)。水位過高，會使蒸汽帶液，降低了蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至會損壞后續(xù)設(shè)備。而水位過低，輕則影響汽液平衡，重則燒干鍋爐甚至引起爆炸。因此，必須對汽包水位進行嚴格的控制。圖1-27是一類簡單鍋爐汽包水位控制示意圖，要求：(

12、1)畫出該控制系統(tǒng)方塊圖；(2)指出該系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么？圖1-27 鍋爐汽包水位控制示意圖答：(1)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖如圖1-36所示。圖1-36鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖注：h為鍋爐汽包水位；h0為鍋爐汽包水位設(shè)定值(2)被控對象：鍋爐汽包。被控變量：鍋爐汽包水位。操縱變量：鍋爐給水量。擾動量：冷水溫度、壓力，蒸汽壓力、流量，燃燒狀況等。6.圖1-31為一組在階躍擾動作用下的過渡過程曲線。(1)指出每種過程曲線的名稱；(2)試指出哪些過程曲線能基本滿足控制要求？哪些不能？為什么？(a) (b) (c) (d)圖1-31 過渡過程曲線答：(1) (a

13、)等幅振蕩；(b)衰減振蕩；(c)非振蕩衰減；(d)發(fā)散振蕩。(2) (b)，(c)能基本滿足控制要求，(a), (d)不能。因為(b), (c)對應(yīng)的過渡過程是穩(wěn)定的。8.某化學反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(800±10)。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850。現(xiàn)運行的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動下的過渡過程曲線如圖1-33所示。(1)分別求出最大偏差、余差、衰減比、過渡時間(溫度進入按±2新穩(wěn)態(tài)值即視為系統(tǒng)已穩(wěn)定來確定)和振蕩周期。(2)說明此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求。圖1-33 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線答：最大偏差：A=45。余差：C=5。衰減比：n=4:1。

14、過渡時間：Ts=25min。振蕩周期：T=13min。該系統(tǒng)滿足正藝要求。第二章 過程特性及其數(shù)學模型一. 問題解答1. 什么是被控對象特性？什么是被控對象的數(shù)學模型？ 答:被控對象特性是指被控對象輸人與輸出之間的關(guān)系。即當被控對象的輸人量發(fā)生變化時，對象的輸出量是如何變化、變化的快慢程度以及最終變化的數(shù)值等。對象的輸人量有控制作用和擾動作用，輸出量是被控變量。因此，討論對象特性就要分別討論控制作用通過控制通道對被控變量的影響，和擾動作用通過擾動通道對被控變量的影響。定量地表達對象輸人輸出關(guān)系的數(shù)學表達式，稱為該對象的數(shù)學模型。2. 什么是控制通道？什么是干擾通道？在反饋控制系統(tǒng)中它們是怎樣影

15、響被控變量的？答:干擾變量與控制變量都是作用于被控對象的輸人量，它們都會引起被控變量變化。由干擾變量影響被控變量變化的通道稱干擾通道，由控制變量影響被控變量變化的通道稱控制通道，如圖2-1所示。圖2-1 干擾輸人變量、控制輸人變量與對象輸出變量之間的關(guān)系在反饋控制系統(tǒng)中，干擾變量總是通過干擾通道破壞系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，使被控變量離開設(shè)定值。為了對抗和抵消干擾變量的影響，就必須由自動化裝置不斷地施加控制作用(即操縱變量)通過控制通道，力圖使被控變量始終保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(即設(shè)定值)上。3. 簡述建立對象數(shù)學模型的主要方法。答:一是機理分析法。二是實驗測取法。以上兩種方法又稱機理建模和

16、實驗建模，將以上兩種方法結(jié)合起來，稱為混合建模。4. 穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型與動態(tài)數(shù)學模型有什么不同？答:穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型描述的是對象在穩(wěn)態(tài)時的輸入量與輸出量之間的關(guān)系；動態(tài)數(shù)學模型描述的是對象在輸人量改變以后輸出量的變化情況。穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型是動態(tài)數(shù)學模型在對象達到平衡時的特例。6.為什么說放大系數(shù)K是對象的靜態(tài)特性？而時間常數(shù)T和滯后時間是對象的動態(tài)特性？答:放大系數(shù)K反映的是對象處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出和輸人之間的關(guān)系，所以放大系數(shù)是描述對象靜態(tài)特性的參數(shù)。時間常數(shù)T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,是反映被控變量變化快慢的參數(shù)，因此它是對象的一個重要的動態(tài)

17、參數(shù)。滯后時間是指對象在受到輸入作用后，被控變量不能立即而迅速地變化這種現(xiàn)象的參數(shù)。因此它是反映對象動態(tài)特性的重要參數(shù)。7.何謂系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計？答:應(yīng)用對象的輸人輸出的實測數(shù)據(jù)來確定其數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通常稱為系統(tǒng)辨識。在已知對象數(shù)學模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過實測數(shù)據(jù)來確定其中的某些參數(shù)，稱為參數(shù)估計。8.對象的純滯后和容量滯后各是什么原因造成的？對控制過程有什么影響？答：對象的純滯后一般是由于介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。在控制通道，如果存在純滯后，會使控制作用不及時，造成被控變量的最大偏差增加，控制質(zhì)量下降，穩(wěn)定性降低。在擾動通道，如果存在純滯后，相當于將擾動推遲一段時間才進

18、入系統(tǒng)，并不影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。對象的容量滯后一般是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。容量滯后增加，會使對象的時間常數(shù)T增加。在控制通道，T大，會使控制作用對被控變量的影響來得慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。T小，會使控制作用對被控變量的影響來得快，系統(tǒng)的控制質(zhì)量有所提高，但時間常數(shù)不能太大或太小，且各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)要適當匹配，否則都會影響控制質(zhì)量。在擾動通道，如果容量滯后增加，擾動作用對被控變量的影響比較平穩(wěn)，一般是有利于控制的。二. 例題分析1. 已知一個具有純滯后的一階過程的時間常數(shù)為4min，放大系數(shù)為10，純滯后時間為lmin，試寫出描述該過程特性的一階微分方程式。解 該過程特

19、性仍為一階微分方程式，但由于存在純滯后lmin，故輸出y(t)比輸人x(t)在時間坐標上平移了lmin，假定方程式中的時間量綱為min，則微分方程式為2. 已知一個對象為具有純滯后的一階特性，其時間常數(shù)為5，放大系數(shù)為10，純滯后時間為2。(1)試寫出描述該對象的微分方程；(2)求出描述該對象的傳遞函數(shù)。解(1)與題6類似，該對象的微分方程式數(shù)學模型為 1式中y表示輸出變量，x表示輸入變量。(2)將式1在零初始條件下，兩端都取拉普拉斯變換，則有則對象的傳遞函數(shù)為第三章 檢測儀表與傳感器一. 問題解答1. 什么叫測量過程？答測量過程實質(zhì)上都是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進行比較的過程。一般它都是

20、利用專門的技術(shù)工具，即測量儀表將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次的信號能量形式的轉(zhuǎn)換，最后獲得一種便于測量的信號能量形式，并由指針位移或數(shù)字形式顯示出來。2. 何謂儀表的精度等級？答儀表的精確度簡稱精度，是用來表示儀表測量結(jié)果的可靠程度。任何測量過程都存在著測量誤差。在使用儀表測量生產(chǎn)過程中的工藝變量時，不僅需要知道儀表的指示值，而且還應(yīng)該了解儀表的精度。儀表的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。儀表精度等級數(shù)值越小，說明儀表測量準確度越高。目前中國生產(chǎn)的儀表精度等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。儀表的精度等級是

21、將儀表允許相對百分誤差的“±”號及“%”去掉后的數(shù)值，以一定的符號形式表示在儀表標尺板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀表允許相對百分誤差為1.0%。3. 電動模擬式變送器、數(shù)字式變送器二者的輸出信號有什么不同？答模擬式變送器的輸出信號一般為統(tǒng)一標準的模擬量信號，例如：DDZ- II型儀表輸出010mA DC，DDZ-III型儀表輸出420mA DC等，在一條電纜上只能傳輸一個模擬量信號。智能式變送器的輸出信號則為數(shù)字信號，數(shù)字通信可以實現(xiàn)多個信號在同一條通信電纜(總線)上傳輸，但它們必須遵循共同的通信規(guī)范和標準。11.電動模擬式變送器的電源和輸出信號的連接方

22、式有哪幾種？目前在工業(yè)現(xiàn)場最常見的是哪一種？答電動模擬式變送器傳輸電源和輸出信號有四線制和二線制兩種連接方式。目前大多數(shù)變送器均為二線制連接方式。15.測壓儀表有哪幾類？各基于什么原理？答測壓儀表按其轉(zhuǎn)換原理不同，主要有四大類：液柱式壓力計，它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度來進行測量的；彈性式壓力計，它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移來進行測量的；電氣式壓力計，它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量來進行測量的；活塞式壓力計，它是根據(jù)液壓原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡祛碼的質(zhì)量來進行測量的。16.作為感受壓力的彈性元件有哪幾種？各有什么特點？答主要的彈性元件有：彈簧管，可分單圈彈簧管

23、與多圈彈簧管，它們的測壓范圍較寬，最高可測量高達1000MPa的壓力；膜片，可分平薄膜、波紋膜、膜盒等，它的測壓范圍較彈簧管式的為低，通?？膳c其他轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)結(jié)合起來，組成相應(yīng)的變送器；波紋管，這種彈性元件易變形，常用于微壓與低壓的測量。24.體積流量、質(zhì)量流量、瞬時流量、累積流量的含義各是什么？答流量通常是指單位時間內(nèi)流經(jīng)管道某截面的流體的數(shù)量，也就是所謂的瞬時流量；在某一段時間內(nèi)流過流體的總和，稱為總量或累積流量。以體積表示的瞬時流量稱為體積流量，以質(zhì)量表示的瞬時流量稱為質(zhì)量流量。26.什么叫節(jié)流現(xiàn)象？流體經(jīng)節(jié)流裝置時為什么會產(chǎn)生靜壓差？答節(jié)流現(xiàn)象流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后

24、的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。流體經(jīng)節(jié)流裝置時，由于流速發(fā)生變化，使流體的動能發(fā)生變化，根據(jù)能量守恒定律，動能的變化必然引起靜壓能變化，所以在流體流經(jīng)節(jié)流裝置時必然會產(chǎn)生靜壓差。27.試述差壓式流量計測量流量的原理。并說明哪些因素對差壓式流量計的流量測量有影響？答根據(jù)流體力學中的伯努利方程和流體連續(xù)性方程，可以導(dǎo)出流體流經(jīng)節(jié)流裝置時的壓差與流量之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，其定量關(guān)系符合流量基本方程式。根據(jù)這個方程式，就可以由測量得到的壓差來計算出流過的流量值，這就是差壓式流量計測量流量的原理。由于流量基本方程是在一定的條件下推導(dǎo)而得的，這些條件包括節(jié)流裝置的形式、尺寸、取壓方式以

25、及流體的工藝條件(密度、溫度、壓力、雷諾數(shù)等)，當以上這些條件改變時都會影響流量的測量。37.根據(jù)工作原理不同，物位測量儀表有哪些主要類型？答按其工作原理主要有下列幾種類型。(1)直讀式物位儀表(2)差壓式物位儀表(3)浮力式物位儀表(4)電磁式物位儀表(5)核輻射式物位儀表(6)聲波式物位儀表(7)光學式物位儀表。40.在液位測量中，如何判斷“正遷移”和“負遷移”？答在液位測量中，當被測液位H=0時，如果差壓變送器的輸人信號p>0，則為“正遷移”；反之，當H=0時，p <O，則為“負遷移”。50.熱電偶補償導(dǎo)線的作用是什么？在選擇使用補償導(dǎo)線時需要注意什么問題？答由熱電偶測溫原理

26、知道，只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。茬實際應(yīng)用中，由于熱電偶的工作端與冷端離得很近，而且冷端又暴露在空間，易受到周圍環(huán)境溫度波動的影響，因而冷端溫度難以保持恒定。當然也可以把熱電偶做得很長，使冷端遠離工作端，但是這樣做會多消耗許多貴重金屬材料。解決這一問題的方法是采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，這種專用導(dǎo)線稱為“補償導(dǎo)線”。在使用熱電偶補償導(dǎo)線時，要注意型號相配，極性不能接錯，熱電偶與補償導(dǎo)線連接端所處的溫度不應(yīng)超過100。52.用熱電偶測溫時，要進行冷端溫度補償，其冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？答冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ幸韵聨追N：(1)冷端溫度保持為0的方

27、法；(2)冷端溫度修正方法；(3)校正儀表零點法；(4)補償電橋法；(5)補償熱電偶法。56.試述DDZ-III型溫度變送器的用途。答DDZ-III型溫度變送器的用途在于它與各種類型的熱電偶、熱電阻配套使用，將溫度轉(zhuǎn)換成420mA和15V的統(tǒng)一標準信號，又可與具有毫伏輸出的各種變送器配合，使其轉(zhuǎn)換成420mA和15V的統(tǒng)一輸出信號。然后，它和顯示單元、控制單元配合，實現(xiàn)對溫度及其他各種參數(shù)進行顯示、控制。二. 例題分析1. 如果有一臺壓力表，其測量范圍為010MPa，經(jīng)校驗得出下列數(shù)據(jù)：被校表讀數(shù)/MPa0246810標準表正行程讀數(shù)/MPa01.983.965.947.979.99標準被校表

28、反行程讀數(shù)/MPa02.024.036.068.0310.01(1)求出該壓力表的變差；(2)問該壓力表是否符合1. 0級精度？解(1)首先計算出各點正、反行程標準表讀數(shù)的差值，找出其中的最大差值(指絕對值)。本題的最大絕對差值發(fā)生在6MPa處，其值為6.06-5.94=0.12(MPa)。(2)由于該表的變差已超過1.0級表的允許誤差，故不符合1.0級精度。2. 某壓力表的測量范圍為01MPa，精度等級為1級，試問此壓力表允許的最大絕對誤差是多少？若用標準壓力計來校驗該壓力表，在校驗點為0.5MPa時，標準壓力計上讀數(shù)為0.508MPa，試問被校壓力表在這一點是否符合1級精度，為什么？解最大

29、絕對誤差在0.5MPa處，校驗得到的絕對誤差為0.508-0.5=0.008(MPa)，此值小于該壓力表的允許最大絕對誤差，故在這一校驗點符合1級精度。3. 如果某反應(yīng)器最大壓力為0.8MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa。現(xiàn)用一臺測量范圍為01.6MPa，精度為1級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺測量范圍為01.0MPa，精度為1級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說明其理由。解測量范圍為01.6MPa，精度為1級的壓力表的允許最大絕對誤差為已經(jīng)超出了工藝上允許的最大絕對誤差，故不能符合工藝上的誤差要求。若采用一臺測量范圍為01.0MPa，精度為1級的壓力表，這時

30、允許的最大絕對誤差為故能符合工藝上的誤差要求。4. 某控制系統(tǒng)根據(jù)工藝設(shè)計要求，需要選擇一個量程為0100m3/h的流量計，流量檢測誤差小于±0.6m3/h，試問選擇何種精度等級的流量計才能滿足要求？解工藝上允許的相對百分誤差為 因此選擇0.5級精度的流量計才能滿足要求。5. 某溫度控制系統(tǒng)，最高溫度為700，要求測量的絕對誤差不超過±10，現(xiàn)有兩臺量程分別為01600和01000的1.0級溫度檢測儀表，試問應(yīng)該選擇哪臺儀表更合適？如果有量程均為01000，精度等級分別為1. 0級和0.5級的兩臺溫度變送器，那么又應(yīng)該選擇哪臺儀表更合適？試說明理由。解對于量程為01600和

31、01000的l.0級儀表，其允許的最大絕對誤差分別為：(1600-0)×1%=16()和(1000-0) ×1%=10()，因此。01600量程的儀表其絕對誤差已經(jīng)超出了工藝上允許的絕對誤差(±10)，故不能選用。另外，對于最高溫度僅為700的溫度控制系統(tǒng)，其量程也沒有必要選01600這么大量程的儀表。因此，本溫度控制系統(tǒng)應(yīng)該選擇01000量程的1.0級溫度檢測儀表，這時其絕對誤差也能滿足要求(±10)。如果有量程均為01000，精度等級分別為1.0級和0.5級的兩臺溫度變送器，應(yīng)該選擇1.0級的更為合適。這時兩臺儀表都能滿足工藝要求，應(yīng)該選擇其中精度較

32、低的儀表，這樣可以節(jié)省投資，日常維護也比較方便。6. 某一標尺為0500的溫度計出廠前經(jīng)過校驗，其刻度標尺各點的測量結(jié)果值為標準表讀數(shù)/0100200300400500被校表讀數(shù)/0103198303406495(1)求出儀表最大絕對誤差值；(2)確定儀表的允許誤差及精度等級；(3)經(jīng)過一段時間使用后重新校驗時，儀表最大絕對誤差為±8，問該儀表是否還符合出廠時的精度等級？解(1)首先計算出各點的絕對誤差，找出其中的最大絕對誤差是在400這一點，其值為()；(2) 故該溫度計的精度等級確定為1.5級；(3)當儀表最大絕對誤差變?yōu)?#177;8后，相對百分誤差，已經(jīng)超過了1.5級儀表的最

33、大允許相對百分誤差1.5%，故已不符合儀表出廠時的精度要求。7. 如何根據(jù)待測工藝變量的要求來選擇儀表的量程和精度？現(xiàn)欲測往復(fù)泵出口壓力(約1.2MPa)，工藝要求±0.05MPa，就地指示?？晒┻x擇的彈簧管壓力表的精度為：1.0級，1.5級，2.5級，4.0級，測量范圍為01.6MPa，02.5MPa，04.0MPa。試選擇壓力表的量程和精度。解量程是根據(jù)所要測量的工藝變量來確定的。在儀表精度等級一定的前提下適當縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準確性。一般而言，儀表的上限應(yīng)為被測工藝變量的4/3倍或3/2倍，若工藝變量波動較大，例如測量泵的出口壓力，則相應(yīng)取為3/2倍或2倍。為

34、了保證測量值的準確度，通常被測工藝變量的值以不低于儀表全量程的1/3為宜。儀表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測量誤差來確定的。一般來說，所選用的儀表越精密，則測量結(jié)果越精確、可靠。但不能認為選用的儀表準確度越高越好，因為越精密的儀表，一般價格越貴，操作和維護越費事。因此，在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)盡可能選用準確度較低、價廉耐用的儀表。當往復(fù)泵的出口壓力為1.2MPa時，由于往復(fù)泵的出口壓力波動較大，可取儀表上限為正常壓力的2倍，即2.4MPa，所以應(yīng)選擇測量范圍為02.5MPa的彈簧管壓力表。由于出口壓力不低出2.5MPa的1/3，故能保證測量值的準確度。根據(jù)題意，允許的相對百分誤差，故應(yīng)選

35、擇的精度等級為1.5級。10.某合成氨廠合成塔壓力控制指標為14MPa，要求誤差不超過0.4MPa，試選用一臺就地指示的壓力表(給出型號、測量范圍、精度級)。解由于合成塔內(nèi)的壓力比較平穩(wěn)，故壓力測量上限可選工作壓力的3/2倍，即14×3/2=21(MPa)，測量范圍可選025MPa。根據(jù)所選量程和誤差要求，算得允許相對百分誤差，壓力表的精度等級應(yīng)選1.5級。由于所測的介質(zhì)是氨氣，由產(chǎn)品目錄可選氨用壓力表YA-100。11.有一臺DDZ-III型兩線制差壓變送器，已知其測量范圍為20100kPa，當輸人信號為40kPa和70kPa時，變送器的輸出信號分別是多少？解當輸入為40 kPa時

36、，其輸出為當輸入為70kPa時，其輸出為18.圖3-15所示的液位測量系統(tǒng)中采用雙法蘭差壓變送器來測量某介質(zhì)的液位。已知介質(zhì)液位的變化范圍h=0950mm，介質(zhì)密度=1200kg/m3，兩取壓口之間的高度差H=1200mm，變送器毛細管中填充的硅油密度為1= 950kg/m3，試確定變送器的量程和遷移量。圖3-15 液位測量系統(tǒng)解因此變送器量程可選016kPa。負遷移量為19.用K熱電偶測某設(shè)備的溫度，測得的熱電勢為20mV，冷端(室溫)為25，求設(shè)備的溫度？如果改用E熱電偶來測溫時，在相同的條件下，E熱電偶測得的熱電勢為多少？解(1)當熱電勢為20mV時，此時冷端溫度為25，即查表可得 因為

37、 由此電勢，查表可得t=509，即設(shè)備溫度為509。(2)若改用E熱電偶來測溫時，此時冷端溫度仍為25。查表可得設(shè)備溫度為509，查表可得因為 即E熱電偶測得的熱電勢為36.2mV。22.測溫系統(tǒng)如圖3-17所示。請說出這是工業(yè)上用的哪種溫度計？已知熱電偶的分度號為K，但錯用與E配套的顯示儀表，當儀表指示為160時，請計算實際溫度tx為多少度？(室溫為25)圖3-17 測溫系統(tǒng)圖解這是工業(yè)上用的熱電偶溫度計。查分度號E，可得160時的電勢為10501V，這電勢實際上是由K熱電偶產(chǎn)生的，即查分度號K，可得，由此可見，由這個數(shù)值查分度號K，可得實際溫度tx=283。第四章 顯示儀表一. 問題解答1

38、. 自動電子電位差計是如何基于補償測量法工作的？線路電阻(即外阻)值的變化，對電子電位差計的測量有無影響？為什么？答圖4-1是自動電子電位差計的簡單原理圖。當熱電勢Et與已知的直流壓降相比較時，若EtECB，其比較之后的差值(即不平衡信號)經(jīng)放大器放大后，輸出足以驅(qū)動可逆電機的功率，使可逆電機又通過一套傳動系統(tǒng)去帶動滑動觸點C的移動，直到Et=ECB時為止。這時放大器輸入端的輸入信號為零，可逆電機不再轉(zhuǎn)動，測量線路就達到了平衡，這樣ECB就可以代表被測量的Et值。圖4-1 電子電位差計原理圖由此可知，電子電位差計是利用已知的電壓ECB去補償未知的熱電勢Et的，故是基于補償測量法工作的。由于當E

39、t=ECB時，熱電偶回路是沒有電流流過的，因此線路電阻值的變化，對電子電位差計的測量不會造成影響的。10.數(shù)字式顯示儀表主要由哪幾部分組成？各部分有何作用？答數(shù)字式顯示儀表通常包括信號變換、前置放大、非線性校正或開方運算、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、標度變換、數(shù)字顯示、電壓/電流(V/I)轉(zhuǎn)換及各種控制電路等部分。信號變換電路是為了將生產(chǎn)過程中的工藝變量經(jīng)過檢測變送后的信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流值；前置放大電路是為了將輸入的微小信號放大至伏級電壓信號；非線性校正電路一般是為了校正檢測元件的非線性特性；開方運算電路通常是為了將差壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量值；A/D轉(zhuǎn)換是為了將模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的數(shù)字量

40、；標度變換電路實質(zhì)上就是進行比例尺的變更，使數(shù)顯儀表的顯示值和被測原始參數(shù)統(tǒng)一起來；數(shù)字顯示部分就是被測數(shù)據(jù)以數(shù)字形式顯示出來；V/I轉(zhuǎn)換電路是為了將電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電流標準信號；控制電路可以根據(jù)PID控制規(guī)律或其他控制規(guī)律進行運算，輸出控制信號。11.試簡述無紙記錄儀的主要特點。答無紙記錄儀是一種以CPU為核心、采用液晶顯示的新型顯示記錄儀表，完全摒棄了傳統(tǒng)記錄儀的機械傳動、紙張和筆。其記錄信號是通過CPU來進行轉(zhuǎn)化和保存的，記錄信號可以根據(jù)需要在屏幕上放大或縮小，便于觀察，并且可以將記錄曲線或數(shù)據(jù)送往打印機進行打印，或送往個人計算機加以保存和進一步處理。無紙記錄儀精度高，價格與一般記錄儀

41、相仿。二. 例題分析1. 對于配有鎳鉻一鎳硅熱電偶，且標尺始端為0的電子電位差計，當熱電偶的熱端為0，冷端為25時，問這時應(yīng)指示多少度？輸人信號為多少？若熱端為0，冷端也為0時，這時應(yīng)指示多少度？輸人信號為多少？解因為自動電子電位差計的冷端溫度補償是按冷端為25設(shè)計的，所以當熱電偶的熱端溫度為0，冷端溫度為25時，指示的應(yīng)是熱端溫度0，這時放大器的輸入信號為0。若熱端和冷端均為0時，送到放大器的輸人信號約為1000V，這時應(yīng)指在25。2. 圖4-7所示為一自動平衡電橋的測量橋路示意圖，請問在下列情況儀表的指針、起點溫度、量程會如何變化？為什么？(1)溫度升高；(2)儀表停電；(3)加大R6;

42、(4)減小R5；(5) A線斷；(6) B線斷；(7) C線斷。圖4-7 自動平衡電橋解(1)當溫度升高時，指針向M方向移動。因為溫度升高，Rt增加，只有減小與Rt串聯(lián)的電阻才能使電橋達到新的平衡。(2)儀表停電時，指針隨撥隨停，因為此時UOD=0，放大器沒有輸出信號。(3)加大R6，指針向M方向移動，因為R6與Rt串聯(lián)，當R6增加時，UOD增加，指針只有左移電橋才能達到新的平衡。這樣使得M點的起點溫度降低。(4)減小R5，流過RP的電流減小，量程也就減小。(5)A線斷開，相當于Rt，溫度升高，這時指針指到N點。(6) B線斷開，UOD不能為零，而是正數(shù)，這樣指針左移直到M點。(7) C線斷開

43、，UOD永遠為零，指針可停留在任何位置。3. 熱電阻短路或斷路時，電子自動平衡電橋指針分別指在何處？解熱電阻短路，相當于Rt =0，指針會直指向始端，直到受到限位為止，相當于溫度非常低。熱電阻斷路，相當于Rt，指針會直指向終端，直到受限位為止，相當于溫度非常高。三. 習題1.一臺與熱電偶配套的自動平衡電子電位差計，其冷端溫度補償是按冷端為25設(shè)計的。問在下列兩種情況下，其溫度指示值會偏低或偏高？(1)實際冷端溫度低于25；(2)實際冷端溫度高于25。答：1. (1)偏高；(2)偏低。3.在自動電子平衡電橋中，連接電源的線路電阻若發(fā)生變化，對測量的結(jié)果有否影響？答：沒有影響。第五章 自動控制儀表

44、一. 問題解答1. 從控制儀表的發(fā)展及結(jié)構(gòu)原理來看，主要有哪幾種類型？ 答主要有三種類型：基地式控制儀表、單元組合式儀表和以微處理器為基礎(chǔ)的控制裝置。2. 控制器的控制規(guī)律是指什么？常用的控制規(guī)律有哪些？答所謂控制器的控制規(guī)律是指控制器的輸出信號p與輸人偏差信號e之間的關(guān)系，即式中，z為測量值信號；x為給定值信號；f為某種函數(shù)關(guān)系。常用的控制規(guī)律有位式控制、比例控制(P)、積分控制(I)、微分控制(D)以及它們的組合控制規(guī)律，例PI, PD, PID等。3. 什么是比例控制規(guī)律？ 答比例控制規(guī)律(P)是指控制器的輸出信號變化量p與輸人偏差信號變化量e之間成比例關(guān)系，即式中，Kp為比例放大系數(shù)。

45、4. 什么是積分控制規(guī)律？什么是比例積分控制規(guī)律？ 答積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變量p與輸人偏差e的積分成正比，即式中，KI為積分比例系數(shù)。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用，便構(gòu)成比例積分控制規(guī)律，其輸出p與輸入e的關(guān)系為：5. 什么是微分控制與比例微分控制？ 答微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量p與輸人偏差e的變化速度成正比，即式中，TD為微分時間。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上微分控制作用，便構(gòu)成比例微分控制規(guī)律，其輸出p與輸入e的關(guān)系為14.試寫出比例積分微分(PID)三作用控制規(guī)律的數(shù)學表達式。答二. 例題分析1. 一臺DDZ-III型溫度比例控制器，測量的全量程為01000，當指

46、示值變化100,控制器比例度為80%，求相應(yīng)的控制器輸出將變化多少？解根據(jù)比例度的定義代人有關(guān)數(shù)據(jù)，得可解得輸出變化量I0=2(mA)2. 某比例控制器輸入信號為420mA，輸出信號為15V，當比例度為60時，輸入變化6mA，所引起的輸出變化量是多少？解代人比例度的公式，有可解得U=2.5V。3. 一臺DDZ-III型溫度比例控制器，測溫范圍為2001200。當溫度給定值由800變動到850時，其輸出由12mA變化到16mA。試求該控制器的比例度及放大系數(shù)。該控制器是高于正作用還是反作用控制器，為什么？解根據(jù)比例度的定義，并代人有關(guān)數(shù)據(jù)，可得比例度為由于是單元組合式儀表，輸人到溫度控制器的信號

47、是由溫度變送器來的420mA DC信號，與輸出信號一樣，都是統(tǒng)一的標準信號，所以溫度控制器的放大系數(shù)與其比例度成倒數(shù)關(guān)系，故有該控制器當給定信號增加時，其輸出信號也是增加的。由于給定信號與測量信號在進行比較時，是相減的運算，控制器的輸人信號(偏差)等于測量信號減去給定信號，所以當給定信號增加時，控制器的偏差信號是減小的，而這時輸出信號反而增加，故該控制器屬于反作用式控制器。第六章 執(zhí)行器一. 問題解答1. 氣動執(zhí)行器主要由哪兩部分組成？各起什么作用？答氣動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它根據(jù)控制信號（由控制器來）壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機構(gòu)動

48、作，所以它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構(gòu)是指控制閥，它是執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量，所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置。2. 氣動執(zhí)行機構(gòu)主要有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點？答氣動執(zhí)行機構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種結(jié)構(gòu)形式。薄膜式執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便、應(yīng)用最為廣泛。它可以用作一般控制閥的推動裝置，組成氣動薄膜式執(zhí)行器，習慣上稱為氣動薄膜控制閥。氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)的特點是推力大，主要適用于大口徑、高壓降的控制閥或蝶閥的推動裝置。除薄膜式和活塞式執(zhí)行機構(gòu)外，還有長行程執(zhí)行機構(gòu)，它的行程長、轉(zhuǎn)矩大，適用于輸出轉(zhuǎn)角（00900）和

49、力矩的場合，如用于蝶閥或風門的推動裝置。3. 何謂正作用執(zhí)行器？何謂反作用執(zhí)行器？答當輸人信號增大時，執(zhí)行器的流通截面積增大，即流過執(zhí)行器的流量增大，稱為正作用；當輸入信號增大時，流過執(zhí)行器的流量減小，稱為反作用。4. 控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有哪些？各有什么特點？主要使用在什么場合？答簡單列表說明如下：類 型特 點主 要 使 用 場 合三通控制閥有三個出入口與工藝管道聯(lián)接，可組成分流與合流兩種型式配比控制或旁路控制隔膜控制閥結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力大、耐腐蝕性強強酸、強堿、強腐蝕性、高黏度、含懸浮顆粒狀的介質(zhì)蝶閥結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小、泄漏量大大口徑、大流量、低壓差，含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)籠式閥可調(diào)范圍大、振動小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換性好、汽蝕小、噪聲小壓差大，要求噪聲小的場合。對高溫、高黏度及含固體顆粒的介質(zhì)不適用5. 控制閥的流量特性是指什么？答控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（或相對位移）之間的關(guān)系，即式中相對流量是控制閥某一開度時的流量Q與全開時的流量Qmax之比。相對開度是控制閥某一開度時的閥桿行程l與閥桿全行程L之比。10為什么說等百分特性又叫對數(shù)特性？與線性特性比較起來有什么優(yōu)點？答等百分比流量特性是指單位相對開度變化所引起的相對流量