化工仪表及自动化复习题

第一章1、什么是化工自动化？它有什么重要意义？答:在化工设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员部分直接劳动，使生产在不同程度自动进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法称化工自动化。实现化工自动化能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量质量、减轻劳动强度、保证生产安全。2、化工自动化主要包括哪些内容？答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。3、自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？答：自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，包括检测元件及变送器、控制器、执行器，显示记录仪表等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。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换成一种特定的信号。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人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。4、过渡过程的品质指标有哪些？它们各自的概念定义？答：过渡过程的品质指标有最大偏差或超调量，衰减比，余差，过渡时间，振荡周期或频率。最大偏差：指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。超调量：表征被控变量偏离给定值的程度。衰减比B/B，：前后相邻两个峰值的比。余差C:当过渡终了时，被控变量所达到的稳态值与给定值之间的偏差。过渡时间上：从干扰作用发生的时刻起，直到系统建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。s振荡周期T或频率：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间。频率：振荡周期的倒数。5、自动控制系统的静态是指被控变量y（t）不随时间而变化的平衡状态称为系统的“静态”；动态是指被控变量y（t）随时间而变化的平衡状态称为系统的“动态”；过渡过程是指调节系统在受到外作用下，从一个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称为控制系统的过渡过程；阶跃干扰是在某一瞬间，干扰突然阶跃式的加到系统上，并继续保持在这个幅度上。第二章1、机理建模的定义是什么？答：机理建模是根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，相平衡方程，以及某些物性方程，设备的特性方程，化学反应定律，电路基本定律等，从而获取对象的数学模型。2、反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？他们对自动控制系统有什么影响？答：反映对象特性的参数有：放大系数K、时间常数T、滞后时间t。a、放大系数K定义：在系统是稳定条件下，输入量与输出量之间的关系一一系统的静态特性物理意义：在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。即由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。b、时间常数T定义：在一定的输入作用下，被控变量完成其变化所需时间的参数物理意义：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要的时间。（或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需要的时间。即t=T时，h=63.2%h;从加入输入作用后，经过3T时间，液位已经变化了全部变化范围的95%,这时，可以近似地认为动态过程基本结束。即t=3T时，h（3T）=95%h时间常数是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是描述对象动态特性的一个重要参数。） maxc、滞后时间t定义：滞后时间t是纯滞后时间t和容量滞后t的总和。

物理意义：输出变量的变化落后于输人变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。有些对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳态值称容量滞后或过渡滞后。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。所以滞后时间t也是反映对象动态特性的重要参数。第三章1、什么是液位测量时的零点迁移问题？产生原因，解决方法，怎样进行迁移？其实质是什么？答：差压变送器测量液位时，压差Ap与液位高度H的关系为：Ap=PgH,H=0时，Ap=0,这是“无迁移”。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ApW0,这就是液位测量时的零点迁移问题。产生原因：变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐。解决方法：调节仪表安装迁移弹簧。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Ap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。实质：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。2、在液位测量中，如何判断“正迁移”和“负迁移”？答：在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变送器的输人信号△□川,则为“正迁移”；反之，当H=0时，△□<0,则为“负迁移”。3、图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。已知介质液位的变化范围h=0~950mm，介质密度P=1200kg/m3,两取压口之间的高度差H=1200mm,变送器毛细管中填充的硅油密度为Pr950kg/m3,试确定变送器的量程和迁移量。答：Ap=hCg=0.95x1200x9.81=11183.4(Pa)负迁移量为“Pg负迁移量为“Pg=1-2x950X9-81=11183.4(Pa)4、四种常用检测仪表类型：压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表、温度检测仪表。5、压力测量仪表有哪几种？各基于什么原理？答：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；弹性式压力计，它是将被测压力大小转换成弹性元件变形的位移来进行测量的；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；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。6、弹性式压力计有哪几种？答：弹簧管式压力计；薄膜式压力计；波纹管式压力计7、弹性元件类型有哪几种，其特点是什么？答：①弹簧管，可分单圈弹簧管与多圈弹簧管，测压范围较宽。②膜片，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，适合测低压和中低压的测量，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器，灵敏度高灵敏限低。③易于变形，位移很大常用于微压与低压的测量，灵敏度更高。6、弹簧管压力计的测压原理是什么?试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。答：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。组成：弹簧管压力计主要由弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头组成。弹簧管压力计测压过程：通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形。由于变形，使弹簧管的自由端产生位移。输人压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力的大小。弹簧管自由端位移量很小，必须通过放大机构指示出来。放大过程是，弹簧管自由端B的位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，指针通过同轴的中心齿轮的带动而作顺时针偏转，在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。8、电气式压力计有哪几种，工作原理是什么及有何特点？答：电气式压力计组成：一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数。二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。类型：霍尔式压力计、电阻应变式压力计、电感式压力计、电容式压力计。工作原理：霍尔片式：霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压:U=RBI。在高压强磁场下不能使用。阻应变式：当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。电感式：当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。电容式：电容器的电容量：C=S/d，当S或d发生变化时，电容量发生变化。9、流量测量仪表有哪几种？各基于什么原理？答：速度式流量计：通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。容积式流量计：采用固定容积逐次衡量过流容积。质量流量计：计量可压缩流体的质量通过量。10、差压式流量计与转子流量计的组成、工作原理及区别、注意事项？答：差压式流量计组成：节流装置和压差计。差压计工作原理：差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。转子流量计组成：玻璃管转子流量计、金属管转子流量计。转子流量计工作原理：垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡，由转子高度可直接读取通过的流量，测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。区别：差压式流量计是变压降式流量计，在流量变化时，节流装置两端的压降也是随之改变的，而转子流量计是定压降式流量计，在流量变化时，转子两端的压降是恒定的。注意事项：由于流量基本方程是在一定的条件下推导而得的，这些条件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺条件（密度、温度、压力、雷诺数等），当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。11、体积式流量计中两种流量计的使用特点？齿轮式流量计：一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计：利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。12、物位测量仪表有有哪几类？各基于什么原理？答：直读式物位仪表，有玻璃管液位计、玻璃板液位计，利用连通器原理工作。差压式物位仪表，分为压力式物位仪表和差压式物位仪表，利用液柱或物位堆积对某定点产生压力原理工作。浮力式物位仪表，分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式，利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式物位仪表，有电阻式、电容式和电感式等，把物位的变化转为电量变化，通过测出电量变化测知物位。核辐射式物位仪表，利用核辐射透过物料时强度随物质层厚度而变化原理工作。声波式物位仪表，分为声波遮断式、反射式和阻尼式，由于物位变化引起声阻扰变化、声波遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化测知物位。光学式物位仪表，利用物位对光波的遮断和反射原理工作。13、温度测量仪表有有哪几类？各基于什么原理？答：膨胀式温度计、压力式温度计、辐射式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计14、热电偶温度计工作原理和结构：产生热电现象的原因：①不同金属具有不同的电子密度②两种金属接触面因电子扩散作用而产生电场一一热电现象③电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡4.接触电势差仅与两金属的材料和接触点温度有关，温度越高，扩散作用越强，接触电势差越高。结构：热电极一一工作部分；绝缘子一一防止电极与电极、套管短路；保护套管一一保护；接线盒。15、冷端温度补偿方法：a)将冷端保持0℃：浸泡在恒温的冰水中；b)采用电路差减法消除冷端热电势；c)校正仪表零点；d)补偿电桥法；e)补偿热电偶法16、热电阻温度计工作原理利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；测量金属在不同温度下电阻值的变化。第五早1、控制系统的基本控制规律、控制特点，控制方程：控制器的控制规律是指什么？常用的控制规律有哪些？答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即P=f(e)=f(z-x)式中，z为测量值信号；X为给定值信号；f为某种函数关系。常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(1)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI,PD,PID等。2、试写出比例积分微分T口)三作用控制规律的数学表达式。答：2、什么是积分时间T?试述积分时间对控制过程的影响。答：积分时间TI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，式中K是积分速度（积分比例系数）。积分时间对控制过程的影响：积分时间T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度I。3、某台DDZ-III型比例积分控制器，比例度为100%,积分时间为2分。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA,试问经过5rnin后，输出将由5rnA变化到多少？解：对该台DDZ-III型比例积分控制器，其控制规律符合下式--比例放大系数,,〜八人 , 一工人.户=心口口+加什二［弧+段］由］=礼归~，「4打+£/』£+■!-［'4川门-5+1x［0.2--x0.2当变化值eA=0.2mA时，5min后输出为 -=5.7mA,即输出将由5rnA变化到5.7mA。4、一台DDZ-III型温度比例控制器，测量的全量程为0〜1000℃,当指示值变化100℃,控制器比例度为80%,求相应的控制器输出将变化多少？解根据比例度的定义5=1-^e-~^IO-1x100%(x-xI-1I代人有关数据；得80%=fX100%可解得输出变化量△t=020X100%1、气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？答：气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。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。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。2、控制阀的流量特性意义是什么？答：控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系：Q/Qmax=f（l/L）3、什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。选择原则：气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。4、试述电-气转换器的用途与工作原理。答：电-气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0〜10mADC或4〜20mADC,但所选择的执行器为气动执行器，其输人信号一般为20〜l00kPa。这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。电-气转换器是接力矩平衡原理工作的。当由输入电流所产生的电磁力与由输出气压所产生的反馈力相平衡时，就建立了输出气压信号与输人电流信号的一一对应关系。5、试述电-气阀门定位器的用途。答：电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。A:分析（报警）C:电导率（控制）D:密度E:电压（检测元件）F:流量I:电流（指示）K：时间（自动-手动操作器）L:物位/液位M:水分/湿度Q：数量/件数（积分、累积）R:放射性（记录/打印）S:速度/频率（开关、联锁）T：温度（传达）V:粘度（阀、挡板）W:力（套管）Y:供选用（继动器/计算器）Z:位置（驱动、执行）自动检测系统作用:检测参数，指示，远传，记录等。自动控制系统（核心）作用:自动维持正常或最佳生产。自动控制定义：在无人直接参与下，利用控制装置，使工作机械或生产过程（被控对象）的某一物理量（被控参数）按预定的规律（给定量）运行。自动控制系统方块图：调节对象量元件变送器自动控制系统方块图：调节对象量元件变送器控制器一执行器。自动控制系统组成：自动化装置和受自动化装置控制的被控对象自动控制系统（自动化装置）是由检测元件和变送器；自动控制器；执行器；显示记录仪表四个部分组成的热电偶温度变送器与热电偶配合使用；热电阻温度变送器与热电阻配合使用。描述对象特性的三个参数是指放大系数K，时间常数T，滞后时间T；过渡过程的品质指标有衰减比，振荡周期或频率，余差，最大偏差或超调量，过渡时间过渡过程的主要形式有韭周期衰减过程，衰减振荡过程,等幅振荡过程,发散振荡过程；常用检测仪表类型：压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、温度测量仪表。压力测量仪表有：液柱式压力计、弹性式压力计、电气式压力计、活塞式压力计。弹性式压力计类型有：弹簧管压力计、波纹管压力计、膜式压力计等。弹性元件有：弹簧管式弹性元件、薄膜式弹性元件、波纹管式弹性元件。电气式压力计类型有：霍尔片式、应变片式、电阻式压力传感器和电容式压力变送器常见工作压力范围：1/3-2/3倍量程；脉动压力（高压）时:1/3-1/2倍・程；高压:1/3-3/5倍・程。自动化主要包括：自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等。霍尔片式压力传感器在高压强磁场霍尔片式压力传感器在高压强磁场场合不能使用。日」绝对误差△是指测量值与真实值之差；相对误差y是指某一点的绝对误差和标准表在该点的指示值之比工业生产上，感温元件通常有热电阻,热电偶热电偶温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分;热电偶的结构：热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等热电偶测量关键：如何保证冷端温度不变或为0OC热电偶温度计由热电偶，测量仪表,连接热电偶和测量仪表的导线三部分组成热电偶温度补偿方法通常包括校正仪表重点法，补偿电桥法热电阻是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥），连接导线三部分组成；热电阻温度变送器结构通常分为输入电桥,放大电路,反馈电路三个部分;在高温区通常采用热电偶作为测温元件，在中、低温区通常采用热电阻作为测温元件；控制通道是指控制作用到被控变量的信号联系,干扰通道是指干扰作用到被控变量的信号联系；描述对象的数学模型通常分为参量模型，非参量模型执行器的气开、气关选择的主要依据是安全状态离心泵的控制方案一般包括改变调节阀的开启度、改变泵的转速、改变回流量;.干扰是指除操作变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素；.被控对象是指需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为对象。.被控变量是指对象内要求保持给定数值的工艺变量称为被控变量。.给定值是被控变量的预定值称为给定值。它反映的是工艺过程的具体要求。.操作变量是指受到控制装置操纵，用以使被控变量保持给定值的物料量或能量。.偏差=实际值-给定值.自动控制系统包括定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统;15.偏差产生的原因分为由于干扰导致实际值发生了变化；给定值发生了变；计量误差而引起的偏差三个方面。18.自动控制系统中流动的是信号流。25.控制通道是指控制作用到被控变量的信号联系，干扰通道是指干扰作用到被控变量的信号联系；.KO的含义是被控变量的变化量与操作变量的变化之比；一般希望该值大一点；Kf的含义是^控变量的变化量和扰动幅度之比；一般希望该值小一点；.调节通道To一般应合适；Tf一般应越大。.纯滞后产生的原因是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的；容量滞后产生的原因是一般是由物料传递需要通过一定阻力而引起的；33.一阶对象是指动态方程都是一阶常系数微分方程；.基本控制规律通常包括双位控制,比例控制（用，积分控制⑴，微分控制（D）；.比例控制规律是研究具有比例控制规律的控制器；.比例度6越大表示比例控制作用越弱，6越小表示比例控制作用越强；56.积分调节规律最大的优点是能够消除偏差；.积分速度kI含义是表示积分控制作用强弱的参数，kI越大表示积分作用控制越及时；.微分时间TD含义是表示微分控制作用强弱的参数，TD越大表示微分作用微分作用越强；.气动执行器分为两部分，分别为执行机构、控制机构；63.控制阀理想流量特性包括直线流量特性,等百分比流量特性,抛物线流量特性,快开特性；75.精馏塔的控制方案中，通常选择塔顶温度、塔底温度、灵敏板温度、中间温度、温差控制作为间接被控变量；1.、过渡过程的基本形式有哪几种？阐述其特点；工业生产需要什么类型的过渡过程？解：非周期衰减过程，又叫单调过程：特征：被控变量没有来会（沿t轴）的波动，沿着一侧作缓慢的变化，最后稳定下来；衰减振荡过程：特征：被控变量上下波动，但振幅逐渐减小，最后稳定在某一个值上面；等幅振荡过程：特征：振幅不变；发散振荡过程：特征：振幅不断增大，被控变量最终远离给定值；工业生产一般需要衰减振荡过程13.基本控制规律有哪些？特点是什么？简要说明5、TI、TD对过渡过程的影响。解：基本控制规律通常包括1）双位控制：控制规律：AB断开，低位，开启阀门；AC导通，高位，关闭阀门。特点：结构简单、成本较低、易于实现、应用普遍。影响：将液位限制在BC之间。2）比例控制（P）：控制规律：输出量与被控量的差值成正比。特点：影响：KP值过大（5值过小），系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。Kp值过小（5值过大），系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。Kp值（5值）适中，经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。3）积分控制⑴：控制规律：（积分调节方法）输出量与输入偏差对时间的积分成正比。特点：对于较大的偏差，容易导致调节时间过长，调节量过大而出现超调。因而通常与比例调节共同使用。影响：Ti值过小，系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。Ti值过大，积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中，经过少数几个