过程装备控制技术习题参考答案

过程装备控制技术课后习题及参照答案

第一章控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化重要包括了哪些内容？

答：运用自动化妆置来管理生产过程的措施称为生产过程自动化。重要包括：①自动检测

系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统重要由哪几种环节构成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：自动控制系统重要有被控对象,测量元件和变送器，调整器，执行器等环节构成。

自动控制系统'常用时术语有：

被控变量y；给定值外测量值ym：操纵变量m：干扰f：偏差信号（e）；控制信号u

3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不一样？

答：自动控制系统的方框图.上是由传递方块、信号线（带有箭头H勺线段）、综合点、分支

点构成的表达控制系统构成和作用的图形。其中每一种分块代表系统中的一种构成部分，

方块内填入表达其自身特性H勺数学体现式；方块间用带有箭头的线段表达互相间H勺关系及

信号口勺流向。采用方块图可直观地显示出系统中各构成部分以及它们之间口勺互相影响和信

号的联络，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代

号，表达出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以体现

在一种化工生产中物料和能量的变化过程，即原料一成品全过程中物料和能量发生的变化

及其流向。

4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？

答：干扰作用是指除操纵变量以外的多种原因引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用

是通过对被控变量H勺测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一

定规律计算出控制信号来变化操纵变变量克服十扰作用。两者关系是控制作用的一部分职

能就是减小或消除干扰对被控变量口勺影响。

5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为何须须是一种闭环负反馈系统？

答：闭环控制是控制系统由J输出信号的变化回返回影响操纵变量H勺控制方式。

开环控制是控制系统口勺输出信号不会影响操纵变量的控制方式.

定值控制系统是指设定值恒定不变H勺控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变

量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量

是输出信号增大。可见定值控制系统满足闭环负反馈系统H勺规定。

6.在图1・11的换热器出口温度控制系统中，工艺规定热物料出口温度保持为某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什

么？

③系统在碰到干扰作用（如冷物料流量忽然增大）时，该系统怎样实现自动控制的？

答：如图所示为该控制系统的方框图。

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值干

扰作用f，输出为热物料出口温度T,

当冷物料流量增大，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ySO,输

入调整器后产生.控制信号u,使执行器或调整阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现

控制。

7.图1/2为此精液位控制系统.T艺规定液位保持为某一数值.

(1)试画出该系统的方框图;

(2)指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？

(2)该系统中被控变量对象为贮槽：被控变量为贮槽液位：操纵变量为出水流量：干扰作

用为：进水流量，大气温度等。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃十扰作用卜有哪几种基本形式？其中哪些能满

足自动控制的规定，哪些不能，为何？

答：对于任何一种控制系统，从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调整

器开始发挥作用，使被控变量恢复到给定值附近范围内的过程叫做系统的过渡过程。

①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程⑤等幅振荡过

程。上述五种振荡过程，其中非振荡衰减和振荡衰减过程是稳定过程，能基本满足规定，

但衰减过程被控变量到达新稳态值进程过于缓慢，致使被控变量长期偏离给定值，因此一

般不采用。只有生产工艺不容许被控变量振荡时才会考虑采用这种形式的过渡过程。

等幅振荡发散振荡和非振荡发散受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控自规定

9.试画出衰减比分别为n<l,n=l,n>l,n—时的过度过程曲线？

答：如图所示：

10.表达衰减振荡过程的控制指标有哪些？

答：表达衰减振荡过程的控制指标有：

①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一种波的峰

值与给定值H勺差。

②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。

③答复时间(过渡时间)ts一一指被控变量从过渡状态答复到新H勺平衡状态的时间间隔，即

整个过渡过程所经历口勺时间。

④差e(8)——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。

⑤振海周期T一一过渡过程的第一种波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间同隔，其倒

数称为振荡频率。

第二章过程装备控制基础

1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？

答：所谓被控对象H勺特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间H勺

变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性口勺参数有放大系数K,时间常数

T和滞后时间T。

K：被控对象重新到达平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。T：时间常数是指当对

象受到输入作用后，被控变量假如保持初始速度变化，到达新的稳态值所需的时间。或当

对象受到输入作用后，被控变量到达新的稳态值的快慢。它决定整个动态过程的长短：

T：描述对象滞后现象的动态参数

2.为何说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？

答：放大系数K体现了被控克•象在干扰作用下重新到达平衡状态的性能，是不随时间变化

的参数，因此K是被控对象的静态特性参数。时间常数反应了被控对象受到输入作用后，

输入变量到达新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，因此是动态特性参数。滞

后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。

3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？

答：被控对象的控制通道是指操纵变量与控制变量之间的关系，干扰通道是指干扰作用与

被控变量之间的关系。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？

答：放大系数对控制的影响：对控制通道而言，放大系数K值大，虽然调整器输出变化不

大,也会对被控对象产生很大影响，控制敏捷。反之放大系数小，被控变量变化缓慢。对

十扰通道而言，假如K很小，虽然十扰幅度很人也不会对控制变量产生很大影响，假如K

很大则当干扰幅度很大并且频繁出现系统很难稳定。

时间常数T对控制影响：对控制通道而言，时间常数大，则被控变量变化较平缓，系统

轻易控制，缺陷是控制较缓慢。若T小，则控制变量变化迅速，不易控制。对干扰通道而

言，时间常数大明显存在好处，此时阶跃干扰系统影响比较平缓，被控变量变化平缓，系

统轻易控制。

滞后时间对控制影响：对控制通道而言，滞后存在是不利的，使控制不够及时，在干扰

出现后不能及时调整，严重影响控制质量。对干扰通道而言，纯滞后只是延迟干扰时间，

并不影响控制质量，对于容量滞后则可以缓和干扰对控制变量的影响，因而对控制系统是

有利

5.试从图2-58某对象的反应由线中，表达出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。

解：如图所示:

夕匕

Z7(oo)-H(0)H(oo)-H(0)

k=--------------=--------------

X(OO)-A-(0)

T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间，

答：调整器H勺控制规律是指调整器H勺输出信号随输入信号变化规律或是指控制器的输出

信号P与输入偏差信号e之间的关系。

常用日勺基本调整规律有：位式，比例，积分，微分等,以及它们的组合控制规律如PI,

PD,PIDo

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？

答:双位控制是指调整器的输出仅有最大和最小两个极限位置，双位控制构造的朴成本较

低使用以便，对配用的调整阀没有任何规定，缺陷是被控对象总是在波动，控制质量不

高，且当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大，不适合控制规定较高场所。

比例控制是指调整器输出变化量与输入变化量成比例，比例控制系统能迅速的克服干扰

影响，使系统未定卜来。有点是反应快控制及时，缺陷是被控对象负荷发生变化时，系统

输出存在余差。

枳分控制是指调整器输出变化量与输入余差枳提成正比，积分控制可以消除余差，但输

出变化总是滞后于余差变化，不能及时克服扰动影响，使被控变量H勺波动加剧，使系统难

以稳定。

微分控制是指调整器输出变化量与输入偏差变化速度成正比，且具有•定的超前控制作

用，克制振动，增强系统稳定（但微分作用不适宜过强）

8.什么是余差？为何单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。

答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。

比例调整器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调整器有输出，就必

须要有偏差存在，因此，比例调整控制不能消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与

输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调整器的输出就不

停变化，偏差存在日勺时间越长，输出信号日勺变化量就越大，只有存在偏差身先等于的状况

下，积分调整器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。

9.为何积分控制规律一般不单独使用？

答：枳分控制其榆出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控

变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，一股不单独使用积分控制规

律。

10.比例、积分、微分、控制分别用什么量表达其控制作用的强弱？并分别阐明它们对控

制质量的影响。

答：①比例一一比例度是反应比例控制踹的比例控制作用强弱叼参数。比例度越大，表达

比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度减

少；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡宜至发散振荡。

②积分控制一一积分时间1表达积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表达积分控制

作用越强。积分时间Ti口勺减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加紧消除余

差的速度，提高系统日勺静态精确度，最大偏差减小。

③微分控制一一微分时间TD是表达微分控制作用强弱口勺一种参数。如微分时间TD越大，

表达微分控制作用越强。增长微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提

高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有也许引起系统的高频振荡。

11.试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调整器的输出特性曲线。

答：比例积分微分调整器的特点是：①在比例调整的基础上进行微分调整可提高系统的稳

定性，进行积分调整可消除余差，因此这种调整器既能迅速进，亍调整，又能消除余差，具

有良好的调整性能。②调整作用可通过调整合适的参数，比例度，积分时间Ti和微分时间

TD面变化。

答：比例控制反应快，控制及时，但有余差。枳分控制作用缓慢但可消除余差。微分控制

具有一定的超前控制作用，克制振荡，增强稳定性。若将三者结合起来，并选择适合的比

例度、积分时间、微分时间，就可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。

13.在比例积分微分调整器中可以调整的参数有哪几种?试阐明调下整其中一种参数时,对

调整器的控制作用有什么影响?

答:在PID调整器中，比例度、枳分时间、微分时间二个参数可以调整，从而可获得较岛内

控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当时，PID调整器成为积分微分调整

器，当Ti积分时间时，PID调整器成为比例微分控制器，当T）时，PID调整器成为PI即

比例积分控制。

答：调整积分时间对控制作用的影响：伴随积分时间的减小积分作用不停增强，在相似的

干扰作用下，调整器日勺输出增大，最小偏差减小，余差消除很快，但同步系统的震荡加

剧。积分时间过小还也许导致系统H勺不稳定。

14.调整器参数整定的目的是什么？工程上常用的整定措施有哪些？

答：调整参数整定目H勺是按照给定H勺控制系统，求取控制系统最佳的调整器参数。工程上

常用的整定措施有经验试凑法、临界比例法、曲线衰减法

15.调整器控制规律选择的根据是什么？

答：有关控制规律选用可归纳为如下几点：

①简朴控制系统合用于控制负荷变化较小H勺被控变量，假如负荷变化较大，无论选择哪种

调整规律，简朴控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选用用复杂口勺控

制系统。

②在一般的控制系统中，比例控制是必不可少日勺，当广义对控制通道时间常数较少，负

荷变化较小，而工艺规定不高时，可选择单纯的比例规律，

③当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺规定无余差时，可选用比例

积分调整规律，如管道压力，流量等参数的控制。

④当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应弓入微分作用，如工艺充许消

除余差，可选用比例微分周整规律：如工艺规定无余差时，则选用P1D调整规律

16.设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？

答：设计一种控制系统，首先应对被控对象做全面口勺理解。除被控对象的动静态特性外，

对于工艺过程，设备等也需要比较深入的理解;

在此基础上，确定对的的控制方案，包拈合埋地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检

测变送元件及检测位置，选用恰当口勺执行行器，调整器以及调整器控制规律待，最终将调

整器的参数整定到最佳值。

17.什么是串级控制系统？它有什么特点？什么状况下采用串级控制？

答：串级控制系统是由其构造上的特性而得出的。它是由主、副两个控制器串接工作的，

主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器H勺输出操纵控制阀，以实现对主变量的

定值控制。

它的特点有：①能迅速克服进入副问路的干扰。②能改善被控对象的特性，提高了系统克

服干扰的能力。③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。串级控制系

统重要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质

量规定较高H勺场所。

18.串级控制系统中心副回路和主回路各起什么作用？为何？

答：串级控制系统中主回路在控制过程中起着细调作用，是定值控制系统，副回路在控制

系统中起着粗调作用，是随动控制系统。这是由于串级控制系统口勺目的是更好的稳定主回

路，使其等于给定值，主变量就是主调整器H勺输出，因此说主1川路是定制给定系统；副【可

路的输出是副变量，副回路口勺给定值是主调整器的输出，因此在串级控制系统中，复变量

不是规定不变的，而是伴随主调整器的输出变化而变化，因此是随动控制系统。

19.图2・59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。

①阐明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调整器各是什么？

②试述该系统是怎样客观实现其控制作用？

解：①该系统的主对象：聚合釜副对象：冷却水进口管路

主变量：聚合釜温度副变量：冷知水流量

主调整器：温度调整器副调整器：流量调整器

如图所示：冷却水流量若减小，首先由流量检测变送，经流量调整阀调整冷却水阀

门开度，开度增长；同步由于流量减少使聚合釜由温度T升高,从而使温度稳定在工橄规

定范围内。

20.什么是前馈控制系统？应用在什么场所？

答：前馈控制又称扰动赔偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），

并按其信号产生合适的控制作用去变化操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制

重要用于下列场所：

①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到规定时；②重要干扰是可测

不可控的变量：③对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈

—反馈控制系统，以提高控制质量。

21.什么是比值控制系统？它有哪几种类型？

答：实现两个或两个以上口勺参数符号一定比例关系口勺控制系统，称为比值控制系统，它重

要有定比值控制系统和变比值控制系统。其中定比值系统有三类：开环比值控制系统，单

闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。

22.选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场所？

答：选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多种调整器的输出端，或在几种

变送器输出端对信号进行选择，以适应不一样的工况，重要应用在对不稳定工况口勺控制，

可以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中H勺不稳定工况。重要应用于非正

常生产过程的保护性措施中。

23.均匀控制的目的和特点是什么?

答：均匀控制系统的目的是为了处埋前后，序的供求矛盾，使两个变量之间可以与相兼顾

和协调操作。均匀控制系统的特点是其控制成果不像其他控制系统那样，不是为了使被控

变量保持不变可，而是使两个互相联络的变量都在容许的范围内缓慢地变化。

第三章过程检测技术

1.写出测量方程式，以及测量三要素，并举例阐明。

答：测量方程式：为被测量，X为测量值，U为测量单位。测量过程三要素为：测量单

位，测量措施，测量仪器与设备。举例：如液柱式温度计测量温度。

2.简述直接测量法与间接测量法的定义，指出它们的异同及使用场所？

答：直接测量法一指被测量与单位能直接比较得出比值，或者义表能直接显示出被测参数

值的测量措施；间接测量法一通过测量与被测量有一定函数关系的其他物理量，然后根据

函数关系计算出被测量的数值，称为间接测量法。相似之处在于都是对工业生产中某些物

埋量H勺测量，都包括测量二要索。不一样之处在于直接测量测量过程简朴以便，应用广

泛：间接测量过程较复杂，只有在误差较大或缺乏直接测量仪表时才采用。

3.测量仪表的重要性能指标有哪些？传感器的重要特性有哪些？

答：测量仪表的重要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，其中技术方面的有：误

差，精度等级，敏捷度，变差，量程，响应时间，漂移等：经济方面的有：使用寿命，功

耗，价格等；使用方面H勺有：操作维修与否以便，运行与否可靠安全，以及抗干扰与防护

能的强弱，重量体枳口勺大小，自动化程度的高下等。

传感器的重要特性有：精确性，稳定性，敏捷性。

4.举例阐明系统误差，随机误差和粗大误差的含义及减小误差的措施。

答：系统误差是由于测量工具自身口勺不精确或安装调整得不对时，测试人员的辨别能力或

固有H勺读数习惯，测量措施的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因产生的测量值与真

值的偏差。系统误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某--规律变化。

如仪表零位未调整好会引起恒值系统误差。随即误差是由于测量过程中大量彼此独立的微

小原因对被测值的综合影响而产生口勺测量值与真值口勺偏差，其绝对值和符号以不可预料的

方式变化。如气温的变化。粗大误差一是由于测量操作者的粗心，不对的地操作，试验条

件的突变或试验状况未到达预想的规定而匆忙试验等原因导致MJ明显地歪曲测量成果的误

差。减小误差的措施：①系统误差：应尽量减少或消除系统误差的来源。首先检查仪表自

身的性能与否符号规定：另一方面仔细检查仪器与否处在正常工作条件，如环境条件及安

装位置等与否符合技术规定，零位与否对口勺：此外还应检查测量系统和测量措施自身与否

对的。②随即误差：由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误差，因此首先从构造，原理

上尽量防止采用存在摩擦口勺可动部分：采用减小噪声的装置，并采用抗干扰能力强的测量

仪器。③对于粗大误差应端正科学研究态度，并认直分析数据，剔除坏值。

5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例阐明各自的用途。

答：绝对误差一仪表指示值与被测变量的真值之间日勺代数差，即=A,可表达仪表

基本误差限：△二士4。

相对误差一测量的绝对误差与被测变星的约定其值（实际值）之比，即用

^=±-x!00%=±6%,可表达仪表H勺基本误差限与绝对误差相比较，相对误差更能阐

x

明测量成果的精确程度，如温度升测量显示值为57C,时间温度为60℃,则：

3

△=57-60=-33=-----x100%=—5.0%,

，60

若实际为3OC,测量显示值为27。。，贝儿

3

△=3C,^=--xl00%=-10.0%,显然此时的相对误差二匕前者大。

30

引用误差一绝对误差与仪表口勺量程之比，用引用误差表达H勺仪表基本误差限为：

g=±AxlOO%=±d%,

s

3

如温度计时量程为100C,贝匹引用误差g=-志xl00%=-3%,

根据容许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。

6.检定一只量程为5A的电流表，成果如下：

输入量/A12345

示量/A1.101.983.014.085.02

（1）试求仪表各示值的绝对误差，实际相对误差，示值相对误差和引用误差。

（2）确定仪表的精度等级。

解：1-1.102-1.983-3.014.-4.085-5.02

绝对误差：=：相对误差：6=丁，

A）

ArAr

示值相对误差：8=竺，弓用误差：q==

xS

因此数值计算列表如下:

412345

X1.101.983.014.085.02

A.v=x-40.1-0.020.010.080.02

cAx

o=——0.1-0.010.00330.020.004

4

0.091-0.01010.00330.01960.004

X

q=­0.020.0040.0020.040.004

S

仪表日勺精度等级•.•/心=2%,故该仪表的精度等级为2。

7.对某物理量通过20次测量，得到如下数据：

324.08324.03324.02324.11324.14324.07324.11324.14324.19324.23

324.18324.03324.01324.12324.08324.16324.12324.06324.21324.14

分别用3。准则和肖维耐准则判断有无粗差，并求该测量的计算平均值原则差。和

极限误差4,写出测量成果体现式。

In170

解：n=20,平均值元=一2%=一=324.11,

剩余误差：V=x,.-x,即:

-0.03-0.08-0.0900.03-0.0400.030.080.12

0.07-0.08-0.10.01-0.030.050.01-0.050.10.03

原则差。彳雪匕2=0.064,标限误差=°12

(1)3。准则：3<T=0.192,4ax=。-12<3。因此该组数中无坏值。

(2)肖维耐准则：依表3-1可知n=20时，攵=包=2.24

(7

••Mb=0.14336,匕做=0.12<hr,故该组数中无坏值。

极限误差△”.=0.12,测量成果：/=H=324.11

8.用一温度计测量某介质温度，40%的读数误差不大于0.5,用线性插值法估计该温度升

的原则差，并计算误差不大于0.75的概率。

解:(1)0(z)-p{\Ar|<za}=高。豆=2匚昌z—l

z=0.52Z=0,53由此推得0.7时，z=0.5205

0.69850.7019

由已知条件知。(z)=0.4,查概率积分表得:

L&2dz=0.7时z=O.52O5,

/.z(y=0.5=0.5205x<y,得：(7«0.96®1

(2)zcr=0.75,得：z=0.781

查表得：z=0.78时，

/.z)=2x0.7823—1=0.5646

即误差不大于0.75,概率为0.5646

9.既有精度等级为L5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为010CTC,

-50550C和TOO500C,现需测量500C左右的温度，规定测量的相对误差不超

过2.5%,选用哪块表合适？

解：根据测量范围，选择B,C两块表，A表排除。

B表：q=2%=0.02=3”

S

：.Arnax=0.02x[550-(-50)]=12*C

...A=—=0.024=2.4%<2.5%

a500

故B表合适。

C表：q=2.5%=0.025=-^-

Amax=0.025x(500-(-100)]=15*C

/.=—=0.03=3%>2.5%

max500

故C表不合适。

综上所述选用B表即20级，量程的仪表。

10.检定一台测量范围为的位移测量仪表，成果如下：

（1）试画出上下行程的输入输出特性曲线；

（2）求该仪表的线性度（以上行曲线为例）；

（3）确定该表的回差（迟滞误差）

解：已知数据：

位移/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0

上行程示值/mm：00.340.691.061.411.772.042.452.813.203.674.074.37

下行程示值/mm：00.400.771.141.521.902.272.653.023.383.724.064.37

（1）如图所示，上下行程曲线

（2）L=2（UO7l（）（）x3=-0.01995x100%«-2%

L6

11.概述膨胀式温度计的工作原理与重要特点：

答：膨胀式温度计是运用物体热胀冷缩的性质来测温的。

重要特点：玻璃液体：构造简朴，使用以便，测量精度高，价格低廉；测量上限和精度受

玻璃质量的限制，易碎，不能远传。双金属：构造紧凑，牢固，可靠：测量精度较低，量

程利使用范围有限。

12热点偶有那些特点？用一般导线和赔偿导线作热电偶的延长线，效果有何不一样？试证

明赔偿导线的赔偿作用。

答：热电偶口勺特点有：测量精度教高，性能稳定：构造简朴，易于

制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号远传和

象现多点切换测：测量范围广•可达一加。〜202KC,形式多样.合

用于多种测量条件。选用赔偿导线规定其在一定温度范围内与所连

接的热电偶具有相似的热电特性，型号相配，极性连接对口勺。赔偿

导线的作用证明：

如图所示：回路中电势为:

E=Eab(t,tl)+Ecd(tl,tO)

由赔偿导线H勺性质得：Ecd(tl,tO)=Eab(ti,tO)

.'.E=Eab(t,tl)+Eab(tl,tO)=Eab(t,tO)

补：用一般导线做热电偶得延长线规定引入两端得温度相似热电势不一样，故一般接热电

偶的泠端，因此冷端温度仍然是现场温度。而用赔偿导线却可以将冷端温度现场温度分

开，利于测量。

13用两只分度号为K的热电偈测量A区与B区的温差，连接措施如图3—79所示。若

0

(1)tA=22OC,"20C”

(2)G=200C°,=500C°

试分别求两种状况下的示值误差,并解释为何与实际温差不一样.

解:查热电偶分度号表：

K型热电偶:20℃200℃220'C500

E:0.798mv8.137mv8.937mv20.640mv

(1)AE=8.9380.798=8.llOnv

反查K热电偶分度号表：201-C-----8.177mv

内析求得：At=200.075℃

(2)AE=20.640-8.137=12.5C3℃

反查K分度号表:307——12.498℃;308——12.539c

内析求得：At=307.12℃

分析原因:低温度下热电势与温度线性关系很好,高温时误差较大。

14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端赔偿器的平衡点温度在20,C.

图3-80中,t=1300C,11=80*0,12=25r,10=30℃：动圈仪表的机械零位为0℃,试求：

(D仪表的示值温度是多少；

(2)怎样处理可使示值与实际温度相符；

(3)把赔偿导线改为铜线时,示值变为多少？

解:如图所示:

由E(t,tO)=E(t,O)-E(tO,0)

即E(1300,30)=E(l300,0)-E(30,0)

=13.155-0.173=12.982mv

告表，12.982mv时对应H勺温度为t=1286C,

即仪表显示H勺温度为1286Co

(2)由于赔偿电桥是在20C时平衡的，因此须将仪表的机械零位预先调到20处，即可

使示值与实际温度相符。/0=/1=80co

(3)若将赔偿导线改为铜线，则，

则E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)=13.155-0.502=12.653mv

查表12.653mv时对应的温度为t=1258.5℃,

即示值变为1258.5℃o

15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84c,但经检定，该电阻RO50.4Q,

电阻温度系数a=4.28X10-3/-C.试求介质的实际温度。

解：•・•在-50C〜150C的范围内，铜电阻与温度是线性关系：

K=K°[l+a(r)]

查得他l=84C时R=67.97Q

67.97=50.4x[l+4.28x103(r-O)]

r=81.5C°

16.用U型管压力计(封液为水银)测温度管道中水的压力。压力计在管道下面L5M(至

肘管端口)处，压力计同大气一侧肘管内水银面距口80nlm,两管水银面高度h=140mm,求

水的表压力(Pa)

解：如图所示：1一1截面压力相等，即：

P水+P水g(九+.+%)=P“+P水银gh3

/=缘_与=夕水银幽一&g（九+4十4）

=13.6xlO3x9.8xO.14-1X103X9.8X（I.5x0.08+0.14）

=1803.2&

17.四个应变片RLR2（在上面），R3,R4（在下面）如图3—81所示贴于梯形片簧，片

簧以悬臂形式固定。

（1）画出应变片接成直流气桥形式的电路图；

（2）当片簧受力P的作用时，贴片处产生350口£的应变，供桥电压10V,

«=%=&=&=??,应变片敏捷系数为2,求电桥输出。

参照：化工测量及仪表范玉文主编P31

图3—81

输出电压：

〃=（醺]^2।坪&

•/R]=R2=R,=R4=R

£邛-混+

°4R2R

uA/?!—A/?,+A/?4—A/?A

-4R

18.液体式压力计有哪些重要类型？试分析其误差

答：液柱式压力计重要有：U型管压力计，单管压力计和微压刀计。

以U型管压力计：误差产生重要有如下几方面•：a读数误差，消除视察。b温度变化产生

液体P变化，产生测量误差，故须修正。c安装误差：当U型管安装不直时会产生安装

误差。d毛细现象，修正

19.试述弹簧管压力计弹簧管构造特点与测压原埋。

答：弹簧管压力计由弹簧管压力感应元件和放大指示机构两部分构成，前者是弯成圆弧状

的空心管子，一端固定（作为压力输入端）；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示

机构。其他是由拉杆，齿轮及指针构成。

测压原理：在弹性范围内，弹簧管自由端口勺位移与被测压力之间近似线性关系，即通过测

量自由端的位移，可直接测得对应H勺被测压力大小。

20.已知被测压力在范围0.7~lMPa内波动，规定测量的绝对误差不得超过0.02MPa,试选

定弹簧管压力的量程和精度等级。可供选用的压力计量程系列为：。〜0.6MPa;0~2.5MPa.

,.-5<0.7八

3m,n3s<2AMPa

A”,22s>\.5MPa

彳Cl

故选用0〜±6MPa

精度等级：方=—*1（X）%=1.25

21.6

故选用精度等级为1级的量程为O'l.6MPa口勺仪表。

21.转子流量计显示流量的形式有几种，是怎样分度的。

答：转子流量计显示流量的形式有3种，一种是玻璃转子流量计，其锥型管是电玻璃制

成，并在管壁标有流量刻度，直接根据转子的高度进行读数：另一类为电运转转子流量

计，即将转了的位移信号转变为电信号；另一种为气动运转式转子流量，将转子口勺位移信

号变为压力信号，进行远距离传送。

22.原则节流装置有哪几部分构成，对各部分有哪些规定？

答：原则节流装置有：节流元件，取压装置和前、后管道三部分构成。原则节流装置的设

计、加工、安装和使用均有规定的技术规定，规定和数据，可参见GB/T2624

23.试比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。

答:

工作原理使用特点

节流运用节流元件前后的差压与流速之间日勺关系，获使用已原则化、系列化，使

装置得被测流量的大小用范围：管径为50〜

lOOOnun,测量范围

1.5"100000m3/h,但使用产

生的压力损失大，精度±1〜

2M

转子基于力平衡原理，运用锥形管内的转子把流体口勺使用已系列化，测量时若介

流量流速转换成转子的位移，进而获得被测流量H勺大质变化，应修正，可测小流

计小。量，构造简朴，维修以便，

压力损失小。缺陷：机械传

相似点：都是测流速然后得流量。逆信号，仪表性能和精确度

难以提高，转子易卡死，测

房管径范围4'150mm,测量范

围:0.00r3000m3/h,精度

+T2.5%

24.从涡轮番量计得基本原理分析其构造特点，输出信号措施和使用规定。

答：涡轮番量计得基本原理：流体对置于管内涡轮得作用力，使涡轮转动，其转动速度在

一定流速范围内与管内流体得流速成正比。其构造重要由：涡轮、导流器、磁电转换装

置，外壳以及信号放大电路等部分构成。

愉出信号措施：将叶轮转动时得转速转换成脉动电信号输出，经深入放大整形后获得分拨

信号，对其进行脉冲计数和单位换算可得到积累流量；通过频率一一电流转换单元可得到

瞬时流量。使用规定：①仅合用洁净得被测介质，一般在涡轮前要安装过滤装置：②流量

计前后需由一定的直管段长度，③流量计的转换系数•般在常温下用水标定的，当介质

的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行赔偿。

25.已知：流体为过热蒸汽，工作压力P=14MPa,工作温度t=550U；管道D20=221mm,

材料X20CrMoV21无缝管，节流装置为角接原则喷嘴，材料为lCrl8Ni9Ti,d20=

148.74nun；差压0p=100.42KPa,求：

（1）在假定Op下的蒸汽流量；

（2）计算测量时的压力损失。

解：计算参照《过程控制检测技术与仪表》杜维主编…D8L

查附数据表可得管道材质和孔板材质的热膨胀系数为：

4=18.20x10"6/c°4=12.30xl0-6/C°

则工作状态下管道内径为

0=%[1+4（「20）]

=221[1+12.30X106X（550-20）]

=222.4〃?〃?

Kn7

电表2-5宜得管道内壁粗糙度k=0.7WJ：-=—=0.03125

D22.4

4=4o[1+Ml（4-20）]

=148.74[1+18.2x10^（550-20）]

=150.17/77/7?

旦=150.77=06750.44<^<0.82xl04<^<107

D222.4'

1.15

（106、

C=（）.9900—0.2262夕”-（0.00175^2-0.0033^45）x—=0.9447

在工作压力下尸=14MPa=1.4x10%〃，/,=550C"

过热蒸汽p、=1.5依/m：必=0.5Pa.s

K-\

1-T----

KTX\-pxK

等燧指数£

x-12\-T

l-^r4r'

其中E一竺=］一侬空叽0.993

Px1.4x0

由于£=0.99

A=-d2=-x\50A72=\770.56〃"〃2

}44

q『符0=

9一户4

i-A-c/?

△P=

瓦+C犷

26.已知：流体为水，工作压力p=14.71MPa,工作温度t=215*C；管道D20=233mm,材

料20号无缝钢管；截流装置为法兰原则孔板，材料为lCrl8Ni9Ti。d20=117.34mm,差压

△p=156.91KPa.

求：（1）在给定的Ap下的流量qm

（2）测量时的压力损失。

解：4=12.78xlO6/C04=17.20xlO^6/C°

O=。20口+4〃-20)]=233]+12.78x10-6x(215-20)]

=233.6〃〃〃

6

d=d2G[1+4(/)-20)]=117.340+17.20x10-x(215-20)]

=117.7mrn

/=4=1122=0.504

D233.6

0./

106

C=0.5959+0.0312俨'-0.1840/7K+0.0029夕”kI+鬻夕（「夕厂一写竺父

液体£=1,4=2/=10874.83〃〃〃

4

_cgA)

Cl"'Jl-J，29AP

p、=846.8kg/〃/

27.当工作压力偏离额定压力时，怎样由差压显示的水位值求出真实的水位。

答：当工作压力偏离额定压力时，可通过差压计H勺正、负迁移，求出迁移量，即运用正负

迁移变化变送费的零点，同步变化量程的上下限，即可求出真实的水位。

28.差压式液位计怎样测量液位？当差压变送器高于或低于最低液位时，应怎样处理？

答：差压式液位计是采用压差计测量气、液两相的压差，压差大小通过气动或电动差压变

送器传送，并转化位电信号，最终显示处液位的大小及其变化,当差压变送器高于或低于

最低液位时，可对差压变送器进行零点迁移，由正迁移和负迁移（低于最低液位时，采用

正迁移，高于最低液位时，采用负迁移。）

第四章过程控制装置

1.单杠杆式气动差压变送器式由哪些部分构成的？各部分由何作用？试阐明其工作原

理。

答：单杠杆式气动差压变送器电气动转换部分和测量部分构成，测量部分的作用是将被测

量的压力信号转换成力的形式：气动转换部分的作用，是将被测差压Api转换成为作用于

主杠杆下端的输入力Fi0其工作原薪（住i%）编魂强压力经敏感元件转换成输入力

Fio即。②Fi作用于主杠杆I内下端，对与我嚼汗种顺时针方

向的输入力矩Mi,使主杠杆发生顺时针方向的偏转。③变送器输出信号P0,引入反馈波纹

管中，并产生反馈力矩Ff作用于主杠杆上，使主杠杆对支点产生一种逆时针方向H勺力矩

Mfo④当时，主杠杆就处在平衡状态，喷嘴挡板间的距离不再变化，若Mf#Mi

时，则杠杆系统产生偏角a,位移检测片产生微小位移s,其变化量再通过放大器10转换

并方大为20〜100

KPa的输出压力，即变送器口勺输出信号与被测差压Api成正比。

2.什么时气阻？什么是气容？它们在气路中各起什么作用？

答：在气路中安装的节流元件称为气阻，作用是阻碍气体的流动，起着降压（产生压力

降）和限流（调整气体流量）的作用。气容是在气路中能储存或释放处气体的气容，在气

路中起若缓冲，防止振荡口勺作用。

3.喷嘴挡板机构由哪些气动元件构成？它们的作用是什么？

答：喷嘴-挡板机构是由喷嘴和挡板构成的变气阻，一种恒气阻和一种气容串联而成的"流

通室，作用是将输入的微小位移信号（即挡板相对于喷嘴的距离）转换成对应的气压信号

输出。

4.DD8-HI型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分构成的？试简述其

工作过程。

答：DD8-111型电动差压变迭器是按力矩平衡原埋，作的，由测量部分（杠杆系统）；电

磁反馈装置：矢量机构：低额位移检测放大器。其工作过程如下：

被测差压信号pl,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠

杆下端的输入力Fi，使主杠柠以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推进矢量机

构，矢量机构将推力分解成F2和F3。F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带

动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压

器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器转换并方大为4〜20mA直流电流，

作为便送器H勺输出信号；同步该电流乂流过电磁反馈装置H勺反馈动圈，产生电磁反馈力

Ff,使副杠杆顺时偏转。，当输入力与反馈力对杠杆系统说产刍日勺力矩Mi,Mf到达平衡

时，变送器便到达•种新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流I。便反应了说

测电压Api的大小。

5.DD8-III型温度变送器为何要采用线性化措施？热电偶温度变送器时怎样实现线性化

叽

答：热电偶温度变送器规定的输出电压信号与对应的变送器输入H勺温度信号成线性关系，

而热电偶是非线性关系的，温度变送器放大回路是线性的，若洛热电偶时热电势直接接到

变送器的放大回路，则温度t'C与变送器时输出电压Use之间的关系是非线性的。因此需

要采用线性化措施，措施是:采用反馈电路非线性，使放大回路具有线性，根据输入输出关

系，当放大系数k很大时，要使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特

性曲线与热电偶的特性曲线相似，从而实现线性化。

6.试分析电动差压变送器怎样实现量程迁移（零点迁移）的。

答：电动差压变送器的零点迁移是通过调整零点迁移弹簧进行的。当调整零点迁移弹簧

时，由主杠杆力矩平衡，可知在被测差压信号不变的状况下，作用于矢量构造的力F1变

化，从而变化压差变送器的输出电流，即变化仪表口勺使用范围，实现量程迁移

7.试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。

答：电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种：四线制和两线制，四线制中，供电电

源通过两根导线接入，另两根导线与负载电阻R2相连，输出。〜10mADC信号。这种连线

方式中，同变送器连接的导线共有4根，成为四线制，如图(a)所示。如图b中所示，同

变送器连接口勺导线只有两根，同步传送变送器所需口勺电源电压和4〜20mADC输出电流，称

为两线制。

C|-220V。

0-10/ziA

■~E1~~I

现场父送裕_________现场变送器

(b)

8.本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采用哪些措施才能保证整个系统到达

防爆规定？

答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的

非本质安全电路和防爆安全栅构成。

采用措施以到达防爆规定H勺措施有：

①木质安全防爆仪表采用低的J工作电压和小的工作电流。

②用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。

③在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。

9.试分析气动调整仪表与电动调整仪表各自具有什么特点。

答：气动调整仪表线路简朴，直观，轻易被使用者掌握，使用压缩空气作为气源，是天然

防爆仪表，信号范围为20〜lOOKPa,甩动调整仪表采用统一原则口勺电信号，4〜20mADC传

播信号，并采用线路集成电路，使可靠性提高，维修工作量减少，构造合理，功能多样，

整套仪表可构成安全火花型防爆系统，并且可与计算机连用。

10.简述膜片式PI调整器的I工作原理。

答：膜片式PI调整器是根据力矩平衡原理工作的，由比较部分，比例部分，积分部分，放

大部分，开关部分等构成。其中比较部分由测量气室，给定气容，和比较部分芯杆所联络

起来的膜片组，比例部分使输出=K.以。积分部分用积分气容和跟踪气室串联在积

分正反馈回路里以改，开关部分用以控制调整器输出的通断。输入网路

作用是将输入信号与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进专电平移动。

11.PID调整器是由哪些基本部分构成的？试分析各部分所完毕的功能。

答：PID调整器的基本构成有谕入电路，运算电路和输出电路枸成。输入电路是检测偏差

信号，信号经滤波电路后输出导P1D运算电路。（输入电路包结偏差检测电路，内给定稳

压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。

PID运算电路：根据整定好H勺参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调整

器实现PID控制规律日勺关键环节。

输出电路：将运算电路的输出信号做最终•次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的

组后一级，提供调整器的输出信号。

12.何为基型调整器？它具有哪些重要特点？

答：基型调整器是一种具有PID运算功能，并能对被调参数，给定值及阀门位置进行显示

的调整器。

特点：①采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高万仪表H勺精度，稳定性和可靠

性，减少了能耗。

②有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间由于有保持状态而使调整器输出可以长

期保持，因而在互相切换时具有双向无平衡无抗扰特性，提高了操作性能。

③采用集成电路便「多种功能的扩展。

④采用原则信号制，接受1-5VDC测量信号，输出4〜20mADC信号，由于空气受点不

是从零点开始的，故轻易识别断电、断线等故障

⑤能与计算机联用。

13.试阐明基型调整器产生积分饱和现象的原因。

答：•.•在基型调整器口勺PI电路中，接有运算放大器，对于理想的比例积分电路，只要输入

信号Usc2存在，积分作用就不会终止，直到输出电压被限制在运算放大器的最大或最小容

许输出为止，即产生积分饱和现象，一般称输出电压未被限制为正常工作状态，输出电压

被限制后称为饱和工作状态。

14.试分析DTZ-2100型气刻度指示调整器的工作原理。它试由哪些部分构成的？各部分

的重要功能试什么？

答：DT8-2100型，I刻度指示调整踞的工作原理是：输入信号经测量指示回路进行持续指

示，并输入输入回路与经给定指示电路指示H勺给定值进行比较得出偏差信号，偏差信号经

比例微分，比例积分回路运算后，送入输出回路将1-5\「DC电压信号转换成4〜20mADC

信号，作为调整器的输出信号。

构成：由指示单元和控制单元两部分构成，其中指示单元由测量指示电路和给定指示，分

别实现对测量信号和给定信号进行连锁指示。控制单元由输入电路一一作用是将输入信号

与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移位；比例微分回路一一功能为：...回

路