化工仪表自动化复习题

函授教育教学辅导资料《化工仪自动化》【教学】采用启发式教学，首先进行问题的提出，然后引导，启发学生思考，让学生带着问题听课，使学生的学习变被动为主动。【学习重点、难点】1、化工自动化的主要内容：自动检测系统、自动信号和连锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。2、自动控制系统能在没人直接干预的情况下，自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最假的工艺操作状态。3、自动控制系统的基本组成：被控对象及自动化装置，其中自动化装置又包含测量原件与变送器、控制器和执行器。4、自动控制系统的方块图：每个方块都代表一个具体装置，方块与方块之间的连接代表方块之间的信号联系，方块之间连接线的箭头代表信号作用的方向。5、自动控制系统是具有被控变了负反馈的闭环系统。而自动检测、自动操纵等系统是开环系统。6、反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控变量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控变量与期望值趋于一致。7、按被控变量的给定值是否变化和如何变化分类，自动控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。8、自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态；把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。9、静态是指系统中各信号的变化率为零，即信号保持在某一常数不变化，而不是物料不流动或能量不交换。10、自动控制系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进出，只是平衡进行没有改变就是了，这与习惯上所说的静止是不同的。【复习题】一、填空题1．在阶跃干扰作用下，系统过渡过程有发散，等幅，衰减震荡和单调等。2．线性度是描述仪表的标定曲线和拟合曲线之间的吻合程度，量程越小，线性化带来的误差（填越大或越小）。3．孔板流量计的特点是，转子流量计的优点为可测（填大或小）流量，压力损失（填大或小）。4．调节器按信号作用方式分为正作用调节器和反作用调节器，其中当测量信号增加，调节器的输出信号减小的是反作用调节器。5．计算机控制系统与模拟控制系统基本结构是的（填相同或不同），前一控制系统中增加了元件，信号的输出在时间上是的。6．按给定值的特点划分，控制系统可分为定值控制系统，随动控制系统，和程序控制系统控制系统。7．在计算机控制系统中，用数字控制器代替了模拟控制器，并增加了模数转换元件和数模转换元件转换元件。8．对调节器参数进行工程整定的方法有经验试凑法，临界比例度法，和衰减曲线法。9．线性度是描述仪表的标定曲线和拟合曲线之间的吻合程度，量程越小，线性化带来的误差（填越大或越小）。10．滞后时间按形成原因分为容量滞后和传递滞后。11.放大系数是描述被控对象重新达到平衡时其输出变化量与输入变化量之比，是被控变量的静态特性参数。12.仪表所能测量的被测量上下限的范围称为仪表的量程，如测量范围为-200~800℃的温度计，其量程为1000℃。13.孔板流量计的特点是.，转子流量计的优点为可测（填大或小）流量，压力损失（填大或小）。14.PID调节器硬件结构的主要组成部分有：输入电路，PID运算电路，和输出电路。15.红外线气体分析仪是基于物质对光辐射的选择性吸收原理工作的；当氧化锆固体电解质两侧的氧浓度不同时，会形成浓差电池；色谱分析仪是利用各组分的分配系数不同进行物质成分分析的。二、单项选择题1．生产过程对过程装备控制的基本要求是什么？（A）A安全性、经济性、稳定性B可靠性、自动化程度高C被控参数的多样性D控制系统的滞后小，控制灵敏2．微分调节器的输出只与偏差的什么有关？（C）A存在与否B大小C变化速度D正负或方向3．色谱仪是利用各组分在两相间什么的不同而使各组分分离？（D）A挥发性B流速C粘度D分配系数4．DDZ-III型电动差压变送器由什么组成的？（C）A电磁反馈装置和矢量机构B测量、放大、反馈三部分C输入电路和输出电路D输入电路和反馈电路5．调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的什么之间的关系？（C）A阀前压力与阀后压力B流速与压力C相对流量和阀门的相对开度D压差与流量6．被控对象的特性是指当被控对象的输入变量发生变化时，其什么的变化规律。A输出变量随时间B输出变量随输入变量C输入变量随时间D输出变量随空间（A）7．在PI调节规律中，随着TI的减小，在相同的扰动下，系统的稳定性（C）A增加B不变C降低D无法确定8．红外线气体分析仪利用物质对光辐射的什么原理工作？A反射B选择性吸收C透射D折射（B）9．串联管道中，当s减小时，调节阀的实际可调比如何变化？（D）A不变B增加C不能确定D减小10．下列各测量操作过程，什么情况下会产生系统误差？（A）A测量时测量砝码存在误差B测量过程中环境温度可能发生了变化C操作员将仪表显示值记错D测量过程中受到不稳定电磁波的干扰11．按系统输出信号对操纵变量的影响划分，控制系统可分为什么控制系统？A闭环和开环控制系统B随动和定值控制系统C反馈和前馈控制系统D简单和复杂控制系统（A）12．比例调节规律具有控制及时，克服什么有力的特点，但无法消除余差。A干扰B调节滞后C偏差D系统不稳定（C）13.热电偶测温仪表的工作原理是利用导体的什么原理来测温的？A导热性B导电性C电阻随温度变化D热电效应（D）14．调节阀的额定流量系数反映了什么？A调节阀容量大小B调节阀的开度大小C调节阀前后压差的大小D调节阀口径的大小（D）15．计算机控制系统与模拟控制系统最主要的区别是什么？A计算机控制原理为“检测偏差、纠正偏差”B采用数字控制器，并增设A/D和D/A转换元件C检测元件的运动规律与模拟控制系统不同D执行元件的运动规律与模拟控制系统不同（B）简答题1.生产过程自动化所包含的内容？2．简述描述被控对象特性的参数滞后时间的种类及其产生的原因，并分析其对控制通道的影响？3．热电偶冷端温度的处理方法有哪些？4.简述比例度的定义及其对系统稳定性的影响？5.热电偶测温过程中为何要引入补偿导线？6．U型管压力计在使用中需要注意的问题有哪些？7.生产过程自动化系统所包含的内容？8.比例积分调节规律中，积分时间TI对系统过渡过程的影响？9.DDZ-III型温度变送器的性能优点？四、分析计算题1.如图所示为一自力式贮槽水位控制系统，试画出该系统的方块图，并指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么？（10分）143出水进水2图1贮槽水位控制系统1-贮槽；2-浮球；3-杠杆；4-针形阀2．某化学反应器工艺规定操作温度为900±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。其中y0=900℃，y1=908℃，y2=918℃，y3=950℃，t1=9min，t2=45min，t3=47min，试确定该系统的最大偏差，衰减比，余差，振荡周期和过渡时间（按被控变量进入±1%新稳态来确定），并分析该系统能否满足工艺要求？（12分）y2y3y1y0t1t2t3t/min图2系统过渡过程曲线3．用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？已知热电偶分度表如下表所示：（14分）20℃60℃500℃557℃538℃539℃0.798mV2.436mV20.64mV23.07mV22.260mV22.303mV4．试分析比例度对余差、最大偏差和系统稳定性的影响。一电动比例调节器，它的量程是100-200℃，输出信号是0-10mA，当输入从140℃变化到160℃时，相应的调节器输出从3mA变化到8mA，求该调节器的比例度。（11分）5．检定一只量程为5A的电流表，当输入量为1A时，指示值为1.10A。试求该仪表的绝对误差、相对误差、引用误差，并确定该仪表的精度等级。（8分）附：仪表精度等级系列——0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、（2）、2.5、5.06．试分析如图所示电气转换器的工作原理（10分）7．如图所示，一换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一定值。试画出该控制系统的方框图，并指出该系统的被控对象、被控变量、操纵变量各是什么？（10分）TCTT冷物料蒸汽热物料8.试分析衰减比对过渡过程的影响，并画出衰减比分别为n<1，n=1,n>1,n→∞时的过渡过程曲线。（12分）9．用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？已知K,E热电偶的分度号如下表所示：K热电偶E热电偶25℃509℃25℃509℃1.0mV21.0mV1.50mV37.7mV（14分）10．试分析如图所示电动差压变送器的作用、基本工作原理和工作过程（12分）。11.现有精度等级为1.5级、2.0级和2.5级的三块以表，测量范围分别为0~100℃，-50~550℃和-100~500℃。现需测量500℃左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块测量仪表比较合适？（10分）12.试画图解释调节器的微分作用是通过负反馈积分电路形成的。（9分）13.如图所示，为一贮槽液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值。试画出该系统的方框图，并指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么？（10分）LTLCqv1qv2图1贮槽液位控制系统14.试分析衰减比对过渡过程的影响，并画出衰减比分别为n<1，n=1,n>1,n→∞时的过渡过程曲线。（12分）15.现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃，仪表指示值为400℃，若认为换热器内的温度为430℃，对不对？为什么？正确值为多少？（14分）已知热电偶的分度号如下表所示：30℃400℃420℃430℃1.801mV28.943mV30.546mV31.350mV16.试画图解释调节器的积分作用是通过负反馈微分电路形成的。（9分）17.试分析如图所示电气转换器的工作原理（12分）18．已知被测压力在范围0.7~1MPa内波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa，试选定弹簧管压力计的量程和精度等级。可供选用的压力计量程系列为：0~0.6MPa；0~1MPa；0~1.6MPa；0~2.5MPa。（10分）附：仪表精度等级系列0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,(2),2.5,5.0参考答案化工仪表自动化简答题1.答：生产过程自动化包含四个方面的内容：（1）自动检测系统；（2）信号连锁系统；（3）自动操纵系统；（4）自动控制系统。2．答：滞后时间依产生的原因不同分为两类：传递滞后τ0——由于信号的传输、介质的输送或能量的传递要经过一段时间；容量滞后τc——由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力引起的。对于控制通道而言，滞后的存在不利于控制，会使控制作用的效果不及时，影响控制质量。3．答：热电偶冷端温度的处理方法有三种：恒温法：——将热电偶冷端置于人造恒温装置中，使冷端温度保持为0℃；示值修正法——采用机械零位调整法或计算修正法，对仪表示值进行修正；冷端温度补偿电桥法——利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵消因冷端温度变化引起的热电势的变化。4.答：比例度是描述比例作用的强弱，是指调节器的输入相对变化量与相应输出的相对变化量之比的百分数。比例度对系统稳定性的影响：比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳，随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。5.答：由热电偶测温原理知，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的很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，冷端温度难以保持恒定，因此引入补偿导线，将热电偶的冷端延伸出来以维持冷端温度恒定。6.答：U型管压力计在使用中需要注意以下几个方面的问题：为了得到较高的准确性，U型管压力计要读2个读数；对液柱进行读数时，要注意毛细现象的影响；当工作液体的膨胀系数较大时，还要进行数值修正；在读数时要注意消除视差。7.答：生产过程自动化包含四个方面的内容：（1）自动检测系统；（2）信号连锁系统；（3）自动操纵系统；（4）自动控制系统。8.答：积分时间对过渡过程的影响具有双重作用。在相同的扰动作用下，随着积分时间的减小，积分作用不断增强，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降，积分时间过小，还可能导致系统的不稳定。9.答：DDZ-III型温度变送器的性能优点主要有以下三方面：采用低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能；在热电偶与热电阻的温度变送器中采用了线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系；线路中采取了安全火花防爆，兼有安全栅的功能，可用于危险场所中的温度或直流毫伏信号测量。四、分析计算题1.解：（1）该控制系统方框图如图所示h0h干扰杠杆系统针形阀贮槽浮球---7分（2）该控制系统中：贮槽为被控对象，贮槽水位为被控变量，进水流量为操纵变量。---3分2．解：由图可得：最大偏差A=y3—y0=950—900=50℃---2分衰减比n=（y3—y1）/（y2—y1）=（950—908）/（918—908）=4.2:1≈4:1---2分余差C=y1—y0=908—900=8℃---2分振荡周期T=t2—t1=45—9=36min---2分过渡时间：t=47min---2分又由题意要求，最大偏差不得超过80℃，由计算数据知A=50℃<80℃，且过渡曲线的衰减比在（4—10）范围内，因此该控制系统可以满足工艺要求。---2分3．解：（1）由显示仪表指示值为500℃，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20．64ｍＶ，即E(t，t0)=20．64ｍＶ又查表可得：E(t0，0)=E(60，0)=2．436ｍＶ---2分则根据热电偶基本定律得：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)=20．64+2．436=23．076ｍＶ---3分由23．076ｍＶ查表可得：t=557℃，即实际温度为557℃。---2分（2）当热端温度不变，为557℃，冷端温度为20℃时，查表得：E(20，0)=0．798ｍＶ---2分因此有E(t，t0)=E(t，0)—E(t0，0)=23．076—0．798=22．278ｍＶ-3分利用表中数据，采用线性插值法，求得仪表显示温度为538．4℃---2分4．解：（1）比例度对余差的影响：比例度δ越大，Kp越小，要获得同样大小的输出变化量所需的偏差就越大，因此在相同的干扰作用下，系统再次平衡时的余差就越大。---3分比例度对最大偏差的影响：比例度越大，在相同的干扰作用下，系统平衡时的最大偏差越大；比例度越小，最大偏差越小；---3分比例度对系统稳定性的影响：比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳，随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。---3分（2）由题给数据，求得该调节器的比例度为：δ=（8—3）/（10—0）╳100%=40%（160—140）/（200—100）---2分5．解：由题给数据得：绝对误差Δ=X-A0=1.10-1=0.1A---2分相对误差δ=（Δ/A0）╳100%=（0.1/1）╳100%=10%---2分引用误差q=（Δ/S）╳100%=(0.1/5)╳100%=2%---2分根据仪表精度等级的规定，取引用误差去掉百分号的数值为仪表的精度等级，由计算数据知该仪表的精度等级为2级。---2分6.解：基本工作原理——力矩平衡原理；---2分如图所示0-10mA电流信号→磁场7，产生电磁力（测量力）→杠杆偏转→喷嘴挡板机构间距减小，P背增加→---4分放大器功率放大后输出气信号，同时信号至反馈波纹管，直到与测量力矩相平衡。---4分7．解：（1）该控制系统方框图如图所示：TsT干扰温度控制器执行器换热器温度测量变送装置---7分（2）该控制系统中：换热器为被控对象，热物料出口温度为被控变量，加热蒸汽流量为操纵变量。---3分8．解：（1）衰减比n是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，衰减比越小，系统的衰减程度越小，过渡过程越缓慢；衰减比越大，系统的衰减程度越大，过渡过程越接近非周期的单调过程。---4分（2）n<1，发散振荡n〉1，衰减振荡n→∞，单调过程n=1，等幅振荡---8分9．解：（1）当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即E(t,t0)=20mV，又查表可得：E(t0,0)=E(25,0)=1.0mV---2分根据热电偶基本定律得，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20+1=21mV---4分由此热电势，查表得：t=509℃，即设备温度为509℃。---1分（2）若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃，查表得:E(t0,0)=E(25,0)=1.5mV---1分又求得设备温度为509℃，查表可得：E(t,0)=E(509,0)=37.7mV---1分故：E(t,t0)=E(t,0)—E(t0,0)=37.7—1.5=36.2mV---4分即E热电偶测得的热电势为36.2mV---1分10．答：基本工作原理——力矩平衡原理；杠杆形式——矢量机构；---2分作用——将压力信号⊿P成比例地转换成4～20mA(DDZ-III)。---2分工作过程：⊿P→Fi→主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转→F1→分解为F2和F3,F3使副杠杆14以支点M逆时针偏转→衔铁靠近差动变压器→经低频位移检测放大器转换并放大为4-20mA直流电流信号Ⅰ0输出。---5分同时Ⅰ0经电磁反馈装置的反馈动圈使副杠杆顺时针偏转，当输入力和反馈力对杠杆系统产生的Mi和Mf相等时，变送器达到新的稳定状态。---3分11．解：根据测量范围，选择B,C两块仪表，排除A表。---1分B表：根据仪表的引用误差与精度等级的关系可得该表的引用误差为q=2%又由q=Δmax/S，所以2%=Δmax/[550-（-50）]，即Δmax=0.02╳600=12℃所以δmax=12/500=2.4%，所以该仪表产生的相对误差小于2.5%。---4分C表：根据仪表的引用误差与精度等级的关系可得该表的引用误差为q=2.5%又由q=Δmax/S，所以2.5%=Δmax/[500-（-100）]，即Δmax=0.025╳600=15℃所以δmax=15/500=3%，所以该仪表产生的相对误差大于2.5%。---4分由以上计算可知，选用B表可以满足测量要求。---1分12．解：如图所示，为一负反馈积分电路。---2分RDU11Uf1如图所示：由RD与CD组成的电路。当U1有一阶跃变化时，通过RD对CDCD充电，CD上的电压即Uf随时间逐渐增加，因此认为该电路具有积分性质。---4分当将这个电路引入控制器的反馈电路时，U1是与输出电流I0成比例的信号，Uf是反馈信号，那么当偏差e有一阶跃变化时，开始时反馈信号很小，故输出I0较大，随着时间的增加，负反馈信号Uf逐渐变大，故输出逐渐减小，这就形成I0与e之间的微分作用。所以说调节器的微分作用是通过负反馈积分电路形成的。---3分干扰13.解：（1）如图所示为该控制系统的方框图。hhs液位控制器贮槽执行器液位测量变送装置---7分（2）该系统的被控对象是贮槽，被控变量是贮槽液位，操纵变量是出水流量qv2。---3分14.解：（1）衰减比n是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，衰减比越小，系统的衰减程度越小，过渡过程越缓慢；衰减比越大，系统的衰减程度越大，过渡过程越接近非周期的单调过程。---4分（2）n<1，发散振荡n﹥1，衰减振荡n→∞，单调过程n=1，等幅振荡---8分15.解：不对，因为此时冷端温度为30℃，而仪表的指示值（400℃）是在仪表的机械零位在0℃时的值，所以换热器的实际温度不是仪表的指示值与冷端温度之和，也不是仪表的指示值。---4分查表可得：E(400，0)=28.943mV,即E(t，30)=28.943mV，E(30，0)=1.801mV,即E(t0，0)=1.801mV---4分由：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)=28.943+1.801=30.744mV---4分根据30.744mV查表并采用线性插值法，求得换热器的实际温度为422℃。---2分16.解：如图所示，为一负反馈微分电路。---2分U11Uf1CI对于由RI与CI组成的电路,RI如果输入U1是与I0成比例的，Uf是与偏差相比较的负反馈信号。那么当I0有一阶跃变化时，U1也是一个阶跃信号，加到由RI与CI组成的微分电路，一开始CI视为短路，此时压降全部降在RI上，故输出Uf最大。随着对CI的充电，其上的电压增加，充电电流减小，RI上的压降逐渐减小，这时Uf对U1的响应实际上是微分特性。---4分当将这个电路引入控制器的反馈电路时，那么当偏差e有一阶跃变化时，开始时反馈信号很大，故输出I0较小，随着时间的增加，负反馈信号Uf逐渐减小，故输出逐渐增加，这就形成I0与e之间的积分作用。所以说调节器的积分作用是通过负反馈微分电路形成的。---3分17.解：基本工作原理——力矩平衡原理；---2分如图所示0-10mA电流信号→磁场7，产生电磁力（测量力）→杠杆偏转→喷嘴挡板机构间距减小，P背增加→---5分放大器功率放大后输出气信号，同时信号至反馈波纹管，直到与测量力矩相平衡。---5分18.解：根据压力表的选用原则，对于弹簧管压力计，要求测量的下限值大于S/3,测量的上限值小于2S/3，即S/3≤0.7，求得S≤2.1MPa2S/3≥1，求得S≥1.5MPa,---4分根据计算数据，可选用量程为0∽1.6MPa。---1分仪表精度等级的确定：引用误差δmax=0.02/1.6╳100%=1.25%---3分故选用精度等级为1级，量程为0∽1.6MPa的仪表。---2分