化工自动化仪表补充习题答案

《化工自动化及仪表》补充习题1.某物料加热后与添加料混合，工艺要求混合时物料温度稳定，工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs来稳定罐内温度。影响的因素有：阀前蒸汽压力Ps，冷物料流量Qi和温度θi，环境温度θc等。1）画出温度控制系统的方块图；2）指出该控制系统的被控变量、操纵变量、被控对象及扰动；3）若蒸汽阀前压力Ps突然变大时，简述该系统的控制过程。解答：1）这是一个简单控制系统，其方框图如下：控制器控制器TC控制阀TV检测变送TT被控过程r(t)y(t)e(t)f(t)c(t)2）该控制系统的被控变量为混合罐内物料温度θ0，操纵变量为换热器蒸汽流量Ԛs，被控对象为换热混合温度生产过程，主要扰动为蒸汽压力Ps、冷物料流量Ԛi及温度θi。3）若蒸汽阀前压力Ps突然变大时，进入换热器的蒸汽流量增加，进入混合罐的热物料温度θc升高，导致被控变量混合罐温度θ0升高而偏离设定值，控制器TC将发出控制信号，关小阀门TV的开度，从而降低热物料温度θc，以控制混合罐内物料温度θ0，使其恢复到设定值。2.图a为流量控制系统，主要克服阀前压力P1波动来稳定流量Q1。图b是储槽液位控制系统，主要克服Q2流量变化的扰动，保持液位稳定。1）指出两图中的各控制系统的被控变量、操纵变量、被控过程及主要扰动；2）若采用图a系统来控制液位，试比较与图b系统的不同点。图a图b解答：1）图a所示控制系统的被控变量、操纵变量均为储槽进料流量Ԛ1、被控过程为储槽进料流量生产过程、主要扰动为储槽进料压力P1。图b所示控制系统的被控变量为储槽液位h、操纵变量均为储槽进料流量Ԛ1、被控过程为储槽液位生产过程、主要扰动为储槽进料流量Ԛ1和储槽出料流量Ԛ2。2）若采用图a系统来控制液位，其与图b系统的不同点是仅克服了储槽进料流量Ԛ1这一个扰动。3．某换热器的温度控制系统（设定值是30℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出衰减比、最大偏差、余差、回复时间。解答：由阶跃扰动下控制系统的过渡过程曲线可知：最大动态偏差为：emax=75-30=45oC衰减比：n=B/B′=（75-35）/（45-35）=4:1余差：e(∞)=35-30=5oC回复时间：Ts≈30min4.已知某换热器被控变量是出口温度θ，操纵变量是蒸汽流量Q。在蒸汽流量作阶跃变化时，出口温度响应曲线如图所示。该过程通常可以近似作为一阶滞后环节来处理。试估算该控制通道的特性参数K、T、τ，写出该控制通道的动态方程。解答：（1）由温度响应曲线可知放大系数K=（43-40）/（110-100）=0.3时间常数T=2-1=1（min）时滞τ=1（min）（2）控制通道的动态方程

5.如果用K热电偶测量温度，其仪表指示值是600℃，而冷端温度是65℃，则实际温度是665℃，对不对？若不对，正确值应为多少，为什么？解答：用K热电偶测量温度，其仪表指示值是600℃，而冷端温度是65℃，则实际温度是665℃，是错误的。正确值应该是600℃。如果仪表指示值是600℃，说明已经进行了热电偶冷端温度补偿。6．用K热电偶测量温度，冷端温度是30℃，测得的热电势是33.29mv，求被测炉子的实际温度。解答：由K分度表中查得E（30，0）为1.203mV,则：E（θ，0）=E（θ，30）+E（30，0）=33.29+1.203=34.493mV再反查K分度表，实际温度是830℃左右。7.何谓变送器零点调整、零点迁移和量程调整，试举一例说明之。解答：零点调整：是指变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值不对应时，需要进行零点调整。零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。量程调整：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。将仪表的量程迁移和零点迁移相结合可以提高仪表的测量精度和灵敏度，扩大仪表的适用范围，增加其通用性和灵活性。例：利用差压法测量液位，液位高度：0~500mm实际测量范围：250±50mm调整方法：先量程调整，再零点迁移量程调整、零点迁移后量程调整、零点迁移后变送器初始输入输出特性量程调整变送器初始输入输出特性量程调整后8.热电偶配接温度变送器测温时，为什么除了要确定测量温度的范围外，还需确定分度号？若电动Ⅱ型温度变送器量程为0～150℃，当介质为90℃时，该变送器的输出为多少mA？若采用电动Ⅲ型温度变送器，量程和介质温度同上，则变送器的输出又为多少mA？（设ΔI∝Δθ）解答：（1）热电偶配接温度变送器测温时，除了要确定测量温度的范围外，还需确定分度号，因为不同分度号的热电偶的分度表不一样。（2）已知电动Ⅱ型温度变送器的输出信号范围是0-10mA，若测量的量程范围为0～150℃，当被测介质温度为90℃时，其输出信号为：（3）已知电动Ⅲ型温度变送器的输出信号范围是4-20mA，若测量的量程范围为0～150℃，当被测介质温度为90℃时，其输出信号为：9.某一标尺为0～500℃的温度计出厂前经过校验，其刻度标尺各点的测量结果值为：被校表读数（℃）0100200300400500标准表读数（℃）01031983034064951)求出仪表最大绝对误差值；2)确定仪表的允许误差及精度等级；3)仪表经过一段时间使用后，重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？解答：1）上表可以看出最大绝对误差发生在被校表读数400oC处，其最大绝对误差为6oC。2）最大相对误差为：d=±(x-x0)max/（标尺上限-标尺下限）´100%=±6/（500-0）´100%=±1.2%可见，此温度计的精度等级为1.5级。3）当最大绝对误差为±8oC时，最大相对误差是：d=±(x-x0)max/（标尺上限-标尺下限）´100%=±8/（500-0）´100%=±1.6%此时，该温度计已不符合出厂时的精度等级。10.现欲测往复泵出口压力（约1.2MPa），工艺要求±0.05Mpa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0,1.5,2.5,4.0级，量程为0～1.6,0～2.5,0～4.0Mpa。试选择压力表的精度和量程。解答：（1）量程的选择：1.2MPa处于可供选择的量程范围0～2.5的50%附近，量程范围应该选0～2.5Mpa。（2）根据题意，最大动态偏差为±0.05Mpa，允许误差d=±(x-x0)max/（标尺上限-标尺下限）´100%=±0.05/（2.5-0）´100%=±2%，压力表的精度应该选择1.5级。11.热电偶与电子电位差计配套测温应注意什么问题？热电阻与电子自动平衡电桥配套测温应注意什么问题？答：热电偶与电子电位差计配套测温，需要冷端温度补偿；热电阻与电子自动平衡电桥配套测温，需要采用三线制接法。12.显示仪表有哪几种类型？各有什么主要特点？答：模拟式显示仪表、数字式显示仪表、新型显示仪表。新型显示仪表涉及微处理技术、新型显示技术、记录技术、数据存储技术和控制技术，使用方便，观察直观，功能丰富，可靠性高。13.热电偶与数字式显示仪表测温线路如图所示。这种接法是否正确？为什么？答：这种接法不正确。需要采用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到控制室。14.用差压变送器与孔板配套测量过热蒸汽流量，仪表按P’=3MPa（表压），θ’=400℃的工作状态标定。现过热蒸汽的工作状态发生了变化。若P=3.2MPa，θ=380℃，则当仪表示值为6000kg/h时，实际流量为多少？（设ρ∝P/T，P：绝对压力，T：绝对温度）忽略。15.常用的流量计有哪几种？各有何主要特点？答：速度式流量计、容积式流量计、质量流量计等。自己归纳。16.常用的压力、液位检测元件有哪些？答：压力：弹性式压力表、压力传感器（压力变送器）液位：差压式液位计（差压变送器）17.用差压变送器测量如图所示敞口储槽液位。已知被测介质密度ρ=900kg/m3，液位高度量程为0～1m，静液柱高度Ho=0.8m。1）应该采用正迁移还是负迁移？迁移量是多少？2）确定变送器量程及应调整的量程范围。3）当储槽液位h是0.5m时，变送器（气动）的输出为多少？解：气动差压变送器输出信号范围是20-100kpa（1）迁移量计算：设大气压力为p0正压室压力p1=H0ρg+hρg+p0副压室压力p2=p0压差△p=p1-p2=H0ρg+hρg当h=0时，△p=H0ρg此为正迁移迁移量为H0ρg=0.8（m）×900（kg/m3）×9.8（m/s2）=7056（kg/ms2）（2）变送器的量程为hmaxρg=1×900×9.8=8820（kg/ms2）差压变送器测量的上限应该为：(7056+8820)=15876（kg/ms2）量程范围应调整到7056–15876（kg/ms2）（3）当储槽液位h是0.5m时，变送器的输入压差为：△p=p1-p2=H0ρg+hρg=11466kg/ms2变送器输出：P0=20+(100-20)*(11466-7056)/(15876-7056)=60(kpa)18.什么是控制阀理想流量特性？控制阀理想流量特性有哪几种？答：控制阀的流量特性（静态特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。理想特性：即在阀的前后压差固定的条件下，相对流量与阀杆行程之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。控制阀理想流量特性有线性、对数(等百分比)及快开三种。19.为什么气动执行器在工业现场用得最多？电气阀门定位器又有何作用？答：（1）气动执行器有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。（2）电气阀门定位器具有电-气转换和阀门定位器双重作用，其输入信号是控制器的输出信号（4-20mA），输出信号是20-100kPa的标准气压信号。20.说明P、PI、PD、PID控制规律的特点以及这几种控制规律在控制系统中的作用。自己归纳。21.说明比例度、积分时间、微分时间的改变对过渡过程有何影响。自己归纳。22.某比例调节器输入信号为4～20mA,输出信号为1～5V,当比例度δ为60%时，输入变化6mA所引起的输出变化量是多少？解：根据题意，e=6mA，求△u，控制器的比例度表达式为δ=[e/(Zmax-Zmin)]/[△u/(umax-umin)]*100%=50%δ=[6/(20-4)]/[△u/(5-1)]*100%=50%则：△u=1.5（VDC）答：所引起的输出变化量是1.5VDC23.某控制系统采用PI控制规律，若整定参数过渡过程的曲线如下图。试判定应如何改变参数δ或TI，并简述理由。答：左图振荡剧烈，应该增大δ或TI；中图比较δ或TI合适；右图过渡时间较长，应加强控制作用，减小δ或TI。24.已知某夹套反应器温度控制系统如图所示，反应大量放热。要求控制温度为50℃，在供气中断时保证冷却。1）选择合适的检测元件及变送器；2）选择控制阀的气开、气关特性并说明理由；3）确定控制器正、反作用并说明理由。解答：1）控制温度为50℃，应该选择铜电阻测温元件，并选配铜电阻温度变送器；2）控制阀应该选择气关阀，一旦调节阀失气时，将冷却水阀全部打开，以免反应器过热引发生产事故。3）控制器应该选择反作用，当反应器内温度升高时，测量值增大，反作用的控制器输出信号减小，气关式的控制阀开度增大，冷却水流量增加，从而控制反应器内部温度上升，使其恢复设定值。25.数字式控制器硬件和软件各有哪几个主要部分组成？什么叫组态？答：数字式控制器的硬件部分主要包括主机电路（CPU）、I/O接口电路、人机联系部件和通讯部件。数字式控制器的软件部分主要包括系统程序和用户程序。26.可编程序控制器（PLC）有何主要特点？如何选用PLC？答：可编程序控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它具有操作方便、可靠性高等优点。如何选用暂不介绍。27.简述DCS、FCS系统特点。答：DCS集散控制系统的特点是：1）采用了智能技术2）丰富的功能软件包3）采用局部网络通讯技术4）友善的人机接口5）高可靠性。FCS现场总线控制系统的特点是：现场总线将具有网络连接功能的现场智能仪表连接起来，构成了现场总线控制系统。其在技术上具有如下特点：1）系统的开放性2）互可操作性与互换性3）现场设备的智能化与功能自治性4）系统结构的高度分散性5）对现场环境的适应性28.为保证精馏塔提馏段重组分产品质量，拟采用以再沸器热蒸汽流量为副变量、提馏段灵敏板温度为主变量的串级控制方案，工艺要求在供气中断时切断热源，试：1）确定调节阀气开、气关特性；2）确定调节器的正反作用；3）画出控制系统方块图；4）简单说明流量副回路的主要作用。解：（1）控制阀选择气开式，一旦阀门失气时，阀门处于关闭状态，保证生产安全。（2）因为阀门选择气开式，结合生产机理分析，主、副控制器均应选择反作用。（3）自动控制系统的方框图如下：rrc1f2f1+-y1y2-+